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尿路感染（UTIs），尤其是导尿管相关尿路感染（CAUTIs）危害大，传统诊断方法有局限。研究人员开发集成可穿戴荧光传感器检测大肠杆菌。该传感器能在 9 - 3.5h 内检测 10? - 10? CFU/mL 大肠杆菌，有望变革 UTI 诊断。
在日常生活中，你或许从未想过，看似普通的尿路感染（Urinary Tract Infections，UTIs），其实正悄然成为全球医疗健康领域的一大难题。UTIs 是极为常见的细菌感染疾病，无论是在社区环境，还是医院这样的医疗场所，它都频繁出现。它就像一个 “隐藏的敌人”，能够侵袭泌尿系统的任何部位，如果得不到及时治疗，甚至会引发严重的尿脓毒血症，威胁患者生命。
更令人担忧的是，UTIs 的发病率相当高，每年都有大量患者因它前往急诊科就诊，还有不少人需要住院治疗，这给全球的医疗系统和经济都带来了沉重的负担。而在 UTIs 中，有一种特殊类型 —— 导尿管相关尿路感染（Catheter - Associated Urinary Tract Infections，CAUTIs）格外引人关注。它是由细菌通过留置导尿管进入患者体内引发的，在医院获得性感染中占比极高，超过半数，在医院内的 UTIs 中更是占比超 80% ，每一次 CAUTIs 的发作，都意味着患者要承受更多的痛苦和经济压力。
在引发 UTIs 的众多细菌中，大肠杆菌（Escherichia coli，E. coli）是 “罪魁祸首”，在 UTIs 病例中，它的 “身影” 出现频率极高，大约 85% - 90% 的 UTIs 都由它引起，在 CAUTIs 病例中，也有超过 20% 是它在 “作祟”。面对 UTIs，传统的诊断方法却存在诸多问题。比如尿常规检查（urinalysis），虽然操作简单、速度快，能通过观察尿液颜色、气味，用试纸检测一些感染指标，如尿液 pH 值、血液、亚硝酸盐和白细胞酯酶等，但它的灵敏度却不尽如人意，只有 68% - 88%，而且只能进行一次性测量，对于使用导尿管袋的患者，检测结果还容易受到尿液在袋中积累时间的影响，导致不准确。另一种常用的尿液培养（urine culture）方法，虽然灵敏度高达 95%，是诊断 UTIs 的可靠方法，但它的检测周期太长，至少需要两天才能出结果，这对于急需治疗的患者来说，无疑是漫长的等待。聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）虽然能在 5 小时内得出高精度、高特异性的诊断结果，却对操作人员的专业要求很高，限制了其广泛应用。其他一些新型检测方法，如基于含片的传感器，也存在各种问题，有的因颜色判断干扰大，有的检测成本高，还无法定量尿液中的细菌浓度。
为了解决这些难题，来自国外（文中提及研究人员所属的 Koydemir Research Group at Texas A&M University）的研究人员展开了一项重要研究。他们致力于开发一种新型检测设备，最终成功研制出一款集成可穿戴荧光传感器。这一研究成果发表在《Biosensors and Bioelectronics》上，引起了广泛关注。
研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先，他们设计了一个基于柔性印刷电路板（Flexible Printed Circuit Board，FPCB）的硬件平台，将其巧妙地附着在导尿管袋上。这个平台上集成了多个关键部件，包括能发射 365nm 峰值波长紫外线的 8 个发光二极管（Light - Emitting Diodes，LEDs），以及一个多通道光谱颜色传感器（AS7341）。同时，他们还开发了一款定制的智能手机应用程序，利用蓝牙技术实现远程控制设备和数据传输，并能在本地进行数据分析，无需依赖云计算。
下面我们来详细看看研究结果。
- 大肠杆菌检测性能：研究人员使用不同浓度的大肠杆菌加标样本对设备进行测试。结果令人惊喜，该设备能够在不同时间内检测出不同浓度的大肠杆菌。在大约 3.5 小时内，就能检测到浓度为 10? 菌落形成单位（Colony - Forming Units，CFU）/mL 的大肠杆菌；即便浓度低至 1CFU/mL，也能在约 9 小时内成功检测到。而且，检测时间和大肠杆菌浓度的对数之间存在很强的线性相关性，这使得研究人员能够根据检测时间准确估算大肠杆菌的初始浓度。
- 检测特异性：为了验证设备的特异性，研究人员用多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌对设备进行测试，这些细菌包括表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）等，它们也都与 UTIs 相关。结果发现，由于设备使用了大肠杆菌特异性试剂，只有大肠杆菌加标样本产生了阳性结果，这充分证明了设备具有高选择性。
- 体外膀胱模型测试：研究人员还构建了体外膀胱模型，分别使用大肠杆菌加标的磷酸盐缓冲液（Phosphate Buffered Saline，PBS）样本和人尿样本进行测试。在这两种样本中，设备都成功检测到了大肠杆菌的存在，并准确估算出了初始大肠杆菌浓度，这进一步验证了设备在实际应用中的可行性。
从研究结论和讨论部分来看，这项研究成果意义重大。这款可穿戴荧光传感器为在导尿管袋中灵敏、选择性地检测大肠杆菌提供了一个强大的身体监测平台。它能够实现对由大肠杆菌引起的 CAUTIs 的早期准确诊断，而且该设备具有重量轻、使用方便、成本效益高的特点，有望彻底改变 UTI 的临床诊断实践。通过自动化、快速的细菌检测，它可以让医生及时发现感染情况，调整治疗方案，减少患者的痛苦和医疗费用，对改善全球 UTIs 患者的治疗现状具有重要推动作用。在未来，随着技术的进一步优化和完善，这种设备或许会成为医疗领域不可或缺的诊断工具，为更多患者带来健康的希望。
