华东师范大学裴浩教授Angew. Chem. Int. Ed.:用于细菌表型鉴定的DNA分子探针

【引言】

超灵敏检测和病原体的快速鉴定对于通过用适当的抗生素治疗来改善患有细菌感染的患者的存活率是至关重要的。目前细菌血液培养的临床标准需要大量的血液样本和繁琐的培养和微生物表型鉴定，并且整个鉴定过程非常耗时（几天甚至几周）并且通常取决于操作者的专业知识。作为替代方案，一些基因型方法，例如实时聚合酶链反应（PCR）和荧光原位杂交（FISH）可以有效地将测定时间减少至血培养阳性后数小时（约6-10小时）。然而，有限的检测灵敏度和特异性以及由大量周围非目标物种产生的高背景信号仍然阻碍它们的广泛使用。然而，所有这些常规方法在一定程度上涉及复杂和费力的样品处理（例如细胞培养，细胞裂解，核酸提取和PCR扩增），使得临床样品的高通量分析难以进行。另外，多种细菌病原体可以共存，但通常在血液中以低水平存在（例如，<1-100CFU/mL）。因此，非常需要开发用于临床诊断中病原菌的高通量鉴别的快速，多重和超灵敏方法。

基于液滴的微流体技术为单细胞水平的高灵敏度生物检测和分析提供了一个很有前途的平台，例如基因组分析，分泌表型筛选和多重染色质相互作用分析。鉴于其能够通过物理和化学隔离将少量细胞限制在离散液滴中，这种方法也适用于细菌检测，可以直接从稀释血液中快速检测细菌，具有单细菌敏感性。然而，由于缺乏有效的信号放大，该方法不允许检测病原体的低丰度生物标记物。此外，对于多种病原体和易感性模式的同时鉴定和多重检测仍然是一个巨大的挑战。虽然标记具有不同荧光颜色的多个传感器将允许同时多路检测多种病原体，但是它们的多路复用能力通常受到可在有效范围内明确检测到的有限数量的光谱颜色的限制。因此，开发用于基于液滴的病原体检测的超多重策略是非常需要的。

【成果简介】

近日，华东师范大学裴浩教授课题组提出了一种平台技术，可用于超高通量细菌检测的一步法，快速和超多重方法。SDwalkers允许将具有荧光强度和发射波长的液滴编码用于同时识别和多重检测病原体的二维（2D）条形码。该策略将极大地扩展基于液滴微流体的多路复用能力，用于细菌检测并有益于其他生物测定应用。此外，SDwalkers的酶驱动级联反应提供了兼容的信号放大程序，大大提高了检测活细菌的灵敏度，同时具有单细菌适用性，而不会牺牲多重信号放大的质量。值得注意的是，作者成功地将这种SDwalker-Drop策略与商业流式细胞仪（FCM）整合用于临床样品分析，其结合了液滴微流体用于快速检测的益处，用于超多重液滴编码和超灵敏生物测定的SDwalkers以及用于多参数FCM的多参数FCM超高通量筛选。总而言之，SDwalker-Drop平台为多重分子检测提供了强大的工具，有利于临床诊断，环境分析和精准医学。该成果以题为“Stochastic DNA Walker in Droplets for Super-Multiplex Bacteria Phenotype Detection”发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

Figure 1.用于超复合细菌表型的SDwalker-Drop平台的示意图

Figure 2.基于SDwalker的传感器用于细菌检测

（a）SDwalker传感器的工作原理

（b）通过TIRF实时监测单个SDwalker传感器

（c）SDwalker在不同浓度的MRSA存在下的荧光响应

（d）SDwalker对不同细菌的荧光响应

Figure 3.使用基于SDwalker-Drop的颜色或强度编码条形码对细菌进行多重分析

（a）分别记录在蓝色，绿色和红色通道中的颜色编码条形码的荧光光谱和图像

（b）用于细菌的超多重分析的强度编码条形码的示意图

（c）通过强度编码条形码可视化分析结果，以鉴定含有不同细菌类型的混合物

（d）样品S1-S7的荧光强度

Figure 4. 使用基于SDwalker-Drop的颜色和强度编码条形码进行实际样品分析

（a）用于实际样本分析的SDwalker-Drop方案

（b）六个实际样品的荧光强度的散点图

【小结】

在这个工作中，作者开发了一种基于SDwalker-Drops的超级多路复用编码技术。这种用于细菌分析的方法具有独特的优点：（i）由于酶信号放大，酶驱动的SDwalker能够以高灵敏度进行细菌检测。（ii）这种与微流体技术集成的SDwalker实现了高度可编程和可视化的条形码编码方法。（iii）颜色和强度编码条形码是通过调整染料的颜色和调节响应目标的SDwalkers种类的数量来构建的，这克服了传统颜色编码方法的光谱重叠，并用理论编码实现细菌的超多重分析，细菌表型检测和鉴定有20种不同的模式。此外，通过与商业FCM的整合，我们证明了这种方法的可行性，以及在实际样品分析中的高特异性和识别准确性。因此，设想该SDwalker-Drop在生物医学研究和临床诊断中具有有希望的应用。

Stochastic DNA Walker in Droplets for Super-Multiplex Bacteria Phenotype Detection

(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201906438)

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