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“芯片进化”设备有助于揭示导致超级细菌的突变

一种基础良好的微流控装置使研究人员能够生成重要数据,以便更好地了解影响细菌进化以对抗抗生素耐药性的参数。

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随着耐药性在世界范围内蔓延,抗生素变得越来越无效,这使得治疗可预防的感染变得越来越困难。除了发现能够杀死耐药菌的新抗生素(尽管根据世界卫生组织的说法这条管道正在枯竭”),了解细菌如何产生耐药性以及导致“超级细菌”产生的原因在我们的研究中同样重要。努力避免这场全球危机。

在最近发表在Small的一项研究中,由卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的 Kersten Rabe 博士领导的一组研究人员开发了一种微流体装置,使他们能够监测抗生素耐药性超级细菌由于暴露而导致的细菌进化到不同水平的抗生素。

“我们想开发和测试一种微流控芯片,在这种芯片中,细胞可以在规定的化学和物理、准静态条件下长时间培养,并研究这些条件对突变发生和选择的影响,”说拉贝。

近年来,对微流体设备及其模拟生物系统能力的研究呈爆炸式增长,提供了具有惊人功能的廉价而强大的平台,例如模拟器官、模拟疾病和测试新药效果的能力,这可能是一种更比动物模型更有效的策略。

“微流体设备使用微型结构,其中液体和气体在规定的流量下移动,”拉贝解释说。“例如,这允许非常明确的混合。此外,由于尺寸小,体积小,因此可以精确调整反应参数,例如温度。”

在他们的论文中,作者说,虽然微型流体芯片系统在微生物系统分析中获得了动力,但产生压力源(如抗生素)的空间定义梯度的能力仍然有限,并且在大多数情况下,不允许研究人员对细菌进行长期实验。结果,他们可能无法发现通常只有在长期培养后才会表现出来的适应性。

在微流体装置中,压力源梯度通常垂直于系统的流体流动方向(图 a、b),并且必须操纵细胞从低压力区域到高压力区域的运动,例如,通过营养物质的排列:低营养物质在低压力区域和高压力区域高营养以吸引细胞进行筛选。适应或抵抗的细胞将进入高压力区域,使研究人员能够对其进行分析。但这是有问题的,因为适应的细胞可能永远不会到达可能发生选择的芯片的高应力区域。

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这就是 Rabe 和他的团队试图通过使用一系列微孔并沿流动方向建立压力梯度的新设置来克服的(图 c)。流动力将细胞带到含有高浓度压力源的区域,并抵消高压力区域可能的逃避。

“例如,当细菌受到压力时,当它们在有毒抗生素存在的情况下生长时,许多细胞就会死亡,”拉贝说。“然而,由于细胞的遗传信息因突变而不断变化,因此也可以创建不再受抗生素严重影响并存活下来的细胞。我们开发的芯片可以优先选择和培养此类细胞。

“此外,我们的芯片不仅允许细菌在溶液中生长 [并且不受表面约束],而且还允许在芯片中使用小孔让细菌在大群落中生长,”他补充道。“这种‘生物膜’在自然界中非常普遍,可以在耐药细菌的发展中发挥重要作用。”

基于良好的芯片使团队能够更好地模拟自然微环境,例如在废水系统中发现的微环境,将细菌暴露于促进细菌复杂变化的特定压力源,现在可以更详细地研究这些压力源。



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