清华大学药学院刘刚教授课题组围绕结核病诊断技术发表了两篇综述文章

　　

近期，清华大学药学院刘刚教授课题组围绕结核病诊断技术发表了两篇综述文章。

1、Dianmo Ni, Gang Liu, Iron Uptake Systems: Chemical Tools for Advancing Infectious Disease Treatment and Diagnosis(Review), J. Med. Chem., 2025, 68 (15), 15285-15338. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.5c01023.

2、Dianmo Ni, Gang Liu, The Single-Cell Revolution: A New Paradigm in Tuberculosis Diagnosis(Perspective), ACS Meas. Sci. Au., 2026,online doi.org/10.1021/acsmeasuresciau.6c00245

两篇综述系统梳理了以下两大核心研究方向：

微生物铁摄取系统的转化应用：全面总结了铁载体-抗生素偶联物与铁载体-荧光团偶联物的研究进展，深入探讨了利用微生物铁摄取通路实现感染性疾病快速、超灵敏诊断的巨大潜力。

单细胞/单菌水平的精准检测：将研究视角从传统的“群体平均检测”推进至“单细胞/单菌测量”，并围绕一个看似简单却长期悬而未决的核心科学问题展开深度探讨：我们能否在复杂的临床样本中，直接检测到一个具有活性的结核分枝杆菌？

这两篇文章以递进的形式展开论述：首先阐明了基于铁摄取机制开发超灵敏荧光检测试剂的可行性，并系统探讨了单细胞RNA测序（scRNA-seq）、单细胞表面增强拉曼光谱（single-cell SERS）以及单细胞荧光探针三类前沿技术。文章指出，未来结核病诊断的关键发展方向之一，是将检测极限从传统的“群体水平”不断突破至“单个活菌”的精度。

01｜为什么结核病的临床诊断需要走向“单细胞”？

结核病诊断技术的发展历经了显微镜观察、细菌培养，直至核酸扩增与分子诊断的演进过程。然而，从测量（量化检测）科学的维度审视，现有技术仍面临一个共性瓶颈：大多数检测方法获取的实质上是大量细菌或宿主细胞的“平均信号”。这种基于群体的平均化测量，极易掩盖结核分枝杆菌（Mtb）显著的个体异质性。在同一感染微环境中，细菌个体可能呈现出截然不同的生理状态：从快速增殖、缓慢生长，到代谢休眠、药物耐受，乃至持留状态（persist state）等。对于结核病传播控制与临床治疗而言，精准捕捉那些数量少但却具有关键致病或传播能力的特殊细菌亚群，其意义往往超越了整体菌量的测定。这一问题在低菌载量的临床样本中尤为尖锐。文章指出，结核病患者痰液样本中的结核菌存在死活之分及耐药性差异。如何快速甄别这些菌株的药物敏感性，以及应对呼吸气溶胶携带具有传播能力的结核菌等微量样本的检测需求，迫切要求人们将检测灵敏度推进至“1–5个活菌/样本”的极限水平。因此，未来的诊断技术不能仅止步于回答“样本中是否存在Mtb”，更需进一步解析：它是否具有活性？是否具备复制与传播能力？能否实现对单个细菌的直接可视化？这是本文提出“单细胞测量革命（Single-Cell Measurement Revolution）”这一核心概念的根本出发点。

图1、传统群体平均检测与单细胞检测模式比较

02｜文章将当前单细胞技术概括为三个相互补充的层次

单细胞RNA测序主要从宿主角度解析结核感染。传统bulk RNA测序得到的是数百万细胞的平均表达信号，而scRNA-seq可以进一步识别特定免疫细胞亚群以及与疾病状态相关的分子特征。例如，综述总结了GBP5等潜在诊断标志物，以及特定NK细胞、单核细胞和耗竭T细胞亚群，为区分活动性结核、潜伏感染及解析宿主免疫异质性提供新的研究工具。

单细胞SERS则进一步将测量对象直接转向Mtb本身。不同细菌即使来自同一培养物，也可能具有不同的代谢和药物敏感状态。单细胞拉曼光谱可以记录每一条细菌的分子“指纹”，并已表现出区分药物敏感、耐多药及广泛耐药菌株的潜力。

文章认为，荧光探针在直接、快速观察单个活Mtb方面具有值得关注的转化潜力。荧光探针无需首先将细菌破碎并提取DNA或RNA，而是利用活菌自身的代谢、酶活性或主动转运过程产生荧光，从而实现对活菌的实时可视化。这也是两篇综述重点讨论的方向。

03｜从“检测Mtb”到“检测一个活菌”

过去十余年，针对Mtb的荧光探针逐渐形成三类具有代表性的设计策略（图2）：

第一类：利用Mtb独特的细胞壁代谢机制

结核分枝杆菌具有富含分枝菌酸和海藻糖脂质的特殊细胞包膜。研究人员将荧光团连接至海藻糖等代谢底物，使探针随着细胞壁合成进入活菌。例如，DMN-Tre利用探针从水相进入疏水性分枝杆菌细胞壁后发生荧光增强，实现“add-and-read”的直接标记。后续的3HC-3-Tre、RMR-Tre等探针进一步提高检测速度、信噪比并将发射波长向远红光区域推进。其优势在于直接反映活菌的细胞壁代谢，但Mtb生长缓慢，因此部分代谢型探针仍需要较长孵育时间，且在极低菌载量样本中的灵敏度仍有提升空间。

第二类：利用Mtb特异性酶开启荧光

另一种策略则将Mtb特有或高表达的酶作为分子开关。例如，BlaC β-内酰胺酶能够切割特定底物，使原本被淬灭的荧光重新释放。随着探针结构不断优化，这类策略已经从单纯产生溶液荧光信号，逐渐发展到真正的单细胞成像。例如，CDG-DNB3同时利用BlaC进行荧光激活，并通过DprE1实现信号固定，从而克服激活产物扩散的问题，可以在约1小时内对单个活Mtb进行特异性荧光标记，并能够区分活菌和死菌。也就是说，荧光信号不再只是告诉研究者“这里可能有结核菌”，而是开始真正落实到显微镜视野中的每一个杆菌。

第三类：铁摄取系统把单菌检测灵敏度再向前推进

这是连接两篇综述的重要技术路线，是利用结核分枝杆菌主动获取铁元素的能力。铁是细菌维持生命活动所必需的元素，但宿主体内游离铁含量极低。Mtb因此需要分泌mycobactin和carboxymycobactin等铁载体劫掠其生存环境中极微量的螯合Fe3+，再通过IrtAB等转运系统主动摄取利用。2025年发表的综述《Iron Uptake Systems: Chemical Tools for Advancing Infectious Disease Treatment and Diagnosis 》系统总结了这一微生物铁摄取机制，并进一步将其概括为一种可以被化学工具利用的“特洛伊木马”策略：如果将药物或荧光团连接至铁载体，就有可能借助细菌自身的营养摄取系统主动将外源分子送入细胞。

因此，从海藻糖代谢、特异性酶激活，再到IrtAB介导的主动转运机制，结核分枝杆菌荧光探针的发展正在逐渐完成一个重要转变，即从检测“一群细菌产生的平均信号”，走向直接观察“一个活细菌产生的信号”阶段。

图2：基于细胞壁代谢、酶激活和铁载体转运的分枝杆菌荧光标记策略

04｜真正目标：在气溶胶中找到每一个活菌

尽管当前技术已经能够在显微镜下观察单个Mtb，但“能够看到一个菌”和“能够从临床超低菌载量样本中稳定找到这一条菌”相距甚远。因此，文章特别强调了 “aerosol frontier（气溶胶前沿）”内容。

Mtb主要经呼吸气溶胶传播，而气溶胶中的细菌数量可能极低。因此，如果未来可以不依赖数周培养，直接从患者呼出的气溶胶中捕获并检测约1–5个具有活性（传播能力）的Mtb，就可能建立一种完全不同于传统痰液检测的诊断模式。

作者认为，实现这一目标需要进一步整合高亲和力诊断试剂、AI识菌、以及便携式光学检测等技术。因此， “单细胞结核检测”的下一阶段，并不只是追求显微镜分辨率，而是要解决一个更困难的测量问题：如何从一个复杂临床样本中，把那唯一的一个或几个活菌找到、标记并准确识别出来，而且成本可接受。

未来具有临床意义的问题可能进一步转化为：“这个患者体内是否还存在具有复制能力和传播风险的Mtb？”文章提出，可以通过将细胞壁代谢、酶活性、铁摄取等活性信号与复制相关信号相结合，实现从“viability”进一步向“replication competence”的测量跨越。这一变化也可能为结核病治疗监测和快速药敏检测提供新的技术基础。

05｜总结

两篇综述从不同科学尺度展示了一条逐渐清晰的未来研究路径。第一篇综述以微生物铁摄取系统为核心，系统阐述了如何利用病原菌自身的营养摄取通路，将抗菌药物和诊断探针主动递送至细菌内部，为感染性疾病治疗和超灵敏诊断提供新的化学策略。第二篇展望(Perspective)则进一步将这一研究方向置于“单细胞测量科学”的框架下，从宿主scRNA-seq、单菌SERS一直延伸到能够直接点亮活Mtb的荧光探针，并提出结核病诊断未来值得追求的终极测量目标之一。从“有没有结核菌”，到“有没有活的结核菌”，再到“能否直接检测一个具有复制和传播能力的结核菌”检测技术的不断推进，有望推动结核病诊断由传统的群体平均检测，最终迈向超灵敏、功能化和单细胞分辨的精准检测新时代。

致谢

清华大学药学院刘刚教授为文章通讯作者，药学院2021级博士生倪典墨为文章第一作者。本研究得到国家自然科学基金委资助（资助号：82672991，81773575, 81573289, 81161120402）。

科学家小档案：

刘刚清华大学药学院

清华大学药学院教授，博士生导师，教育部长江学者，是我国最早从事组合化学与化学生物学领域的研究者之一，曾领导搭建国内首个多学科交叉的组合化学技术平台, 获“第十四届中国药学会科学技术奖一等奖”、“第十八届中国药学发展奖（创新药物）突出成就奖”等荣誉。长期从事抗肿瘤、抗感染药物研发及诊断试剂研究，作为项目负责人承担多项国家各类科技项目，主编《药物化学与药物研发案例》中英文版等。主持开发抗凝新药《注射用比伐卢定》（商品名：泰佳宁，（国药证字H20110039），主导在研多项创新药品种的临床前及临床试验。