拉曼显微技术与微计算机断层扫描联用：快速无创诊断骨组织葡萄球菌感染的新策略

这篇研究创新性地结合拉曼显微技术（Raman microscopy）和微计算机断层扫描（micro-CT），实现了人骨组织中葡萄球菌（Staphylococcus aureus/S. epidermidis）感染的高效检测。通过分子光谱（如v1PO43?、Amide III）与结构参数（如VOX-BV/TV、Mean1）的协同分析，不仅区分感染状态（准确率99.16%），还能鉴别病原菌种类（准确率85.55%），为骨科手术中早期精准诊断提供了多模态解决方案。

　　

1 引言

骨感染是骨科手术中棘手的并发症，尤其由金黄色葡萄球菌（S. aureus）和表皮葡萄球菌（S. epidermidis）引发的感染常导致植入物失效甚至截肢。传统培养法耗时长（48-72小时），而影像学（如X射线、MRI）难以捕捉早期分子变化。本研究提出结合拉曼光谱（分子层面）和微CT（结构层面）的双模态检测策略，旨在解决临床诊断的时效性与精准度难题。

2 方法与材料

样本制备：从40例髋关节置换术患者获取120份骨样本，分为S. aureus组、S. epidermidis组及对照组，接种10⁶ CFU/mL菌液培养48小时。

拉曼分析：采用785 nm激光的SENTERRA II显微镜，检测范围200-3,600 cm^?1，聚焦磷酸盐（v₁PO₄^3? 958 cm^?1）、酰胺带（Amide I 1,656 cm^?1）等关键峰。

微CT扫描：XtremeCTII系统（30.3 μm分辨率）量化骨小梁体积（VOX-BV）、数量（DT-Tb.N）及间距（DT-Tb.Sp）。

3 结果

分子标记：感染组磷酸盐（v₁PO₄^3?）强度降低18%，酰胺III带减少23%，提示矿化与胶原降解。PCA显示单主成分（PC1）可解释96%-98%的方差。

结构改变：S. aureus组骨小梁数量减少37%，而S. epidermidis组骨体积分数（VOX-BV/TV）下降更显著（p < 0.0001）。

分类性能：支持向量机（SVM）模型中，联合拉曼与微CT特征使病原菌分类准确率提升至85.55%，显著优于单模态（p < 0.05）。

4 讨论

两种技术互补性显著：拉曼捕捉早期分子变化（如碳酸盐替代减少），而微CT量化晚期结构破坏。S. aureus更易引发急性骨溶解，而S. epidermidis倾向慢性生物膜形成，这解释了二者在CH₂变形带（1,410-1,550 cm^?1）和骨小梁厚度（DT-Tb.Th）的差异。

5 结论

该多模态方案突破了传统技术的局限，15分钟内即可完成检测，未来结合机器学习有望实现术中实时诊断，为骨移植筛选和个性化抗感染治疗提供新工具。