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[一种新的检测方法可以在一分钟内识别细菌的存在]检测与识别

来源:情感日志 时间:2019-07-20 17:16:57 点击:

一种新的检测方法可以在一分钟内识别细菌的存在,同时区分健康细菌和非活细菌,可以挽救许多生命和大量资金。华威大学的科学家报告了这项技术,该技术基于细菌中电信号响应外部电刺激的变化。

细菌检测对现代医疗实践至关重要。细菌培养方法需要数天才能获得结果。在败血症中,每小时治疗延迟,死亡率上升8%。同样,尿液试纸研究中错过了高达30%的尿路感染,尤其是低水平感染。延迟诊断可使感染成为甚至危险,导致死亡或残疾。延迟检测商业标本的细菌污染也会产生巨大的经济影响。

在这种背景下,细菌中的生物电信号可以产生非常有用的结果。目前的研究结合了生物学,数学建模和工程原理,以快速检测活细菌,利用静息膜电位(跨细胞膜的基线电压)的变化。

能够同时进行单细胞显微术和用外源电信号刺激的装置揭示了对电刺激的超极化反应。 (A)涂有金 - 钛电极的定制玻璃底盘。 右侧的缩放图像显示电极之间的间隙为50微米。 将培养皿连接到继电器电路以对细菌细胞施加电刺激(详见SI附录,图S1-S3)。 (B)在相位对比和ThT荧光图像中可见50μm电极间隙内的枯草芽孢杆菌细胞。 (C)在电刺激之前,期间和之后的枯草芽孢杆菌的ThT荧光的薄膜条带图像。 ThT荧光的增加表明对电刺激的超极化反应。

能够同时进行单细胞显微术和用外源电信号刺激的装置揭示了对电刺激的超极化反应。(A)涂有金 - 钛电极的定制玻璃底盘。右侧的缩放图像显示电极之间的间隙为50微米。将培养皿连接到继电器电路以对细菌细胞施加电刺激(详见SI 附录,图S1-S3)。(B)在相位对比和ThT荧光图像中可见50μm电极间隙内的枯草芽孢杆菌细胞。(C)在电刺激之前,期间和之后的枯草芽孢杆菌的ThT荧光的薄膜条带图像。ThT荧光的增加表明对电刺激的超极化反应。

主要作者James Stratford解释说,我们创建的系统可以产生类似于医疗和工业测试中使用的平板计数的结果,但速度提高了约20倍。这可以挽救许多人的生命,并通过检测制造过程中的污染来使经济受益。

动物的生物电,包括研究暴露于外部电场的细胞的电特性,一直是一个重要的研究领域。细菌生物电的研究相对较新,但我们现在知道增殖细菌需要稳定的静息膜电位,并且几乎只有一半的能量来维持它。静息膜电位是细胞中电信号传导的关键。

雷丁大学的科学家Yoshikatsu Hayashi评论说:利用神经科学中广泛使用的数学模型,我们揭示了可兴奋细胞,神经元和细菌细胞的共同机制,扩展的神经元模型可以解释健康和不健康细菌细胞的两种不同的电反应。令人惊讶的是,代表膜上非平衡程度的单一参数足以解释细胞的不同反应。这是了解电信号起源的重要一步。

以前,时间推移显微镜和荧光团介导的单细胞膜电位研究都已被用于检测增殖能力。然而,膜电位的变化在许多情况下发生,导致非特异性结果,除非首先进行复杂和细致的校准。目前的研究专门研究外部场诱导的膜电位变化是否依赖于细菌增殖潜力。

科学家们使用一种专门开发的装置来观察细胞增殖和膜电位,并对两种细菌物种 - 枯草芽孢杆菌(枯草芽孢杆菌)和大肠杆菌(大肠杆菌)的单细胞中的电刺激作出反应。

增殖细菌(通过相差时延显微镜观察)首先将荧光染料分子作为膜电压指示剂。施加2.5秒的电脉冲。结果是强烈的荧光指示超极化(细胞内部变得比外部更带负电荷)。

这些细胞中的一些用400nm的紫外(UV)光照射,这是常见的细菌生长抑制剂,并且通过相差时延显微镜证实了生长抑制。存在于相同视野的不同区域中的正常细胞充当对照。在相同的刺激下,被照射的细胞被去极化(内部变得更加阳性)而其他被超极化。因此,这与健康的细菌区分开来。这种转变被认为是由于受损细胞中静息膜电位的变化,并且通过当前研究中使用的扩展神经元模型预测。

然后用万古霉素处理这两种细菌的​​混合培养物,万古霉素是一种抑制枯草芽孢杆菌但不抑制大肠杆菌增殖的抗生素。随后的刺激分别在枯草芽孢杆菌和大肠杆菌中产生去极化和超极化。在用乙醇或质子载体处理后观察到相同的结果,这也导致细胞损伤。因此,该方法可以与选择性培养组合以检测抗生素抗性。

研究人员已经建立了自己的创业公司Cytecom,并期望商业设备很快就可以用于工业和临床用途,快速检测活细菌并寻找抗生素对细菌培养的影响。Cytecom获得了Innovate UK的资助,该奖项旨在促进创新。

研究作者Munehiro Asally说:这是一个激动细菌细胞生物电的激动人心的时刻。这项工作表明,细菌电可以导致社会重要的技术,同时获得对我们对细胞的基本理解的基本见解。我们开发的工具可以通过允许以前无法进行的实验来提供更多机会。

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