基于微流控碳电极阻抗谱技术的快速抗菌药物敏感性检测新方法

为解决抗生素滥用导致的耐药性问题，印度理工学院马德拉斯分校的研究团队开发了一种基于电化学阻抗谱(EIS)的微流控检测装置(e-μD)。该研究利用低电导率培养基(10% TNM)和碳印刷电极，通过监测细菌生长引起的电荷转移电阻(Rct)变化，实现了3小时内对大肠杆菌(E. coli)和枯草芽孢杆菌(B. subtilis)的快速药敏检测(84 cells/mm2灵敏度)，为资源有限地区提供了经济高效的检测方案。

　　

抗生素耐药性(AMR)已成为全球公共卫生的重大威胁，每年导致近500万人死亡。传统药敏检测需要48-72小时，而基因检测又存在设备昂贵、需持续更新耐药基因库等局限。如何在资源有限地区实现快速、准确且低成本的药敏检测，成为遏制耐药性蔓延的关键科学难题。

印度理工学院马德拉斯分校(Indian Institute of Technology Madras)的Saranya Gopalakrishnan和Diksha Mall等研究人员在《Scientific Reports》发表创新成果，开发出基于电化学阻抗谱(EIS)的微流控检测装置(e-μD)。该装置采用低成本的碳印刷电极和稀释胰蛋白胨培养基(10% TNM)，通过监测细菌生长引起的电荷转移电阻(R_ct)变化，3小时内即可完成药敏检测，检测限低至84 cells/mm²。研究证实该方法适用于革兰阴性菌(大肠杆菌ATCC 25922)和革兰阳性菌(枯草芽孢杆菌ATCC 6051)，并能准确判断氨苄青霉素(ampicillin)和四环素(tetracycline)的敏感性，在尿液样本中同样表现优异。

关键技术包括：(1)优化10%胰蛋白胨培养基(TNM)作为低电导率电解质；(2)设计聚-L-赖氨酸(PLL)修饰的碳电极微流控芯片；(3)建立改进的Randles等效电路模型解析阻抗数据；(4)采用SYTO9/PI荧光染色验证细菌活性；(5)使用临床尿液样本验证实用性。

优化电解质与电极系统

通过比较不同浓度培养基的阻抗特性，发现10% TNM兼具高阻抗基线(560 μS/cm)和细菌支持能力，使大肠杆菌倍增时间延长至88±1分钟。碳电极间距优化为1mm，配合PLL修饰可稳定捕获细菌。

细菌检测性能

装置可检测低至84 cells/mm²的固定化细菌，对应初始浓度2×10⁴ CFU/mL。3小时孵育后，10⁶ CFU/mL样本的归一化阻抗信号(NIS)达0.067±0.008，显著高于空白对照(p<0.001)。

药敏检测应用

对敏感大肠杆菌，10 μg/mL氨苄青霉素使NIS显著降低(p<0.01)，而耐药菌在50 μg/mL时仍保持生长。荧光染色显示敏感菌膜完整性破坏(PI染色)，与CLSI标准一致。四环素(5 μg/mL)对枯草芽孢杆菌无效的实验结果也通过纸片扩散法验证。

临床样本验证

在未处理的尿液样本中，接种10⁶ CFU/mL大肠杆菌的NIS值显著高于阴性样本(p<0.05)，四环素处理组NIS降低证实检测可靠性。

该研究创新性地将低电导率生长培养基与电荷转移电阻监测相结合，突破了传统阻抗检测中灵敏度与细菌生长支持的矛盾。相比同类技术，e-μD的成本降低80%(碳电极替代金电极)，检测时间缩短16倍，为基层医疗机构提供了符合WHO标准的便携式解决方案。未来通过集成细菌预浓缩技术，有望将检测限进一步降低至10³ CFU/mL，满足更严苛的尿路感染诊断需求。