細(xì)菌感染對(duì)公共健康影響顯著，抗菌藥物耐藥性的日益威脅更凸顯了對(duì)快速且易用診斷工具的迫切需求。近日一項(xiàng)研究開發(fā)出一種新型噬菌體門控傳感器，可用于選擇性檢測大腸桿菌。該傳感器利用硫羅丹明 B 作為熒光報(bào)告染料，將其封裝在介孔二氧化硅顆粒中，并以噬菌體作為 “守門人”。當(dāng)與大腸桿菌相互作用時(shí)，噬菌體從二氧化硅表面脫離，釋放染料并產(chǎn)生可測量的熒光信號(hào)。實(shí)驗(yàn)顯示，該傳感器對(duì)大腸桿菌檢測具有高靈敏度，檢測限可達(dá)101 CFU/mL，且能在 5 分鐘內(nèi)完成檢測。
研究人員將該傳感器集成到即時(shí)檢測（PoCT）設(shè)備中，該系統(tǒng)符合 ASSURED 標(biāo)準(zhǔn)，具備經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、靈敏度高、特異性強(qiáng)和使用方便等特點(diǎn)。即便使用簡單的 LED 燈，非專業(yè)人員也可通過肉眼檢測到熒光反應(yīng)。通過對(duì)真實(shí)水樣的驗(yàn)證，傳感器檢測結(jié)果與基于標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)的方法一致，證實(shí)了其準(zhǔn)確性。
圖 1：噬菌體門控二氧化硅顆粒檢測大腸桿菌的作用機(jī)制示意圖。
在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員合成了尺寸約 100 nm 的介孔二氧化硅納米顆粒和 1.7 μm 左右的介孔二氧化硅 microparticles，并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。所使用的大腸桿菌 K12 噬菌體 K12.4a 從生牛奶中分離獲得，經(jīng)過多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)其宿主范圍、基因組、復(fù)制參數(shù)、形態(tài)及在不同 pH 和溫度條件下的穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性進(jìn)行了表征。
圖 2：集成傳感器的即時(shí)檢測設(shè)備組件結(jié)構(gòu)示意圖。
傳感器材料通過多種手段進(jìn)行表征，包括氮?dú)馕?- 脫附、掃描電子顯微鏡、能量色散 X 射線光譜、透射電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜、X 射線衍射和熱重分析等。pH 優(yōu)化研究表明，pH 7 時(shí)傳感器性能最佳，這可能與噬菌體在接近中性的二氧化硅表面有效附著 - 脫離過程以及噬菌體靶向細(xì)菌的高活性有關(guān)。
圖 3：傳感材料的結(jié)構(gòu)與性能表征圖譜（XRD、FTIR、氮?dú)馕?- 脫附）。
選擇性測試顯示，該傳感器對(duì)腸炎沙門氏菌、糞腸球菌和藤黃微球菌等其他三種細(xì)菌無響應(yīng)，僅在大腸桿菌存在時(shí)觀察到截留染料的選擇性釋放。研究開發(fā)的 PoCT 設(shè)備由 2 mL 無菌注射器和可重復(fù)使用的 cartridge 組成，設(shè)計(jì)用于容納可更換的過濾器，在 405 nm LED 光下可用肉眼觀察熒光信號(hào)，其檢測限同樣為101CFU/mL。
圖 4：傳感器在不同條件下的熒光響應(yīng)及選擇性測試結(jié)果圖。
對(duì)四個(gè)水樣的實(shí)際應(yīng)用測試中，三個(gè)污染水樣檢測結(jié)果呈陽性，一個(gè)飲用水樣結(jié)果低于檢測閾值，且與常規(guī)細(xì)菌檢測結(jié)果一致。與各種商用大腸桿菌檢測試劑盒相比，該噬菌體門控傳感器檢測限顯著更低，處理時(shí)間僅需 5 分鐘，遠(yuǎn)快于需約 1 天完成富集步驟的部分商用產(chǎn)品，且每次測試的估計(jì)成本也低得多。
圖 5：即時(shí)檢測設(shè)備對(duì)大腸桿菌的濃度 - 熒光強(qiáng)度檢測結(jié)果圖。
這項(xiàng)研究首次將噬菌體用作門控傳感平臺(tái)中的生物門，與使用適體或抗體的傳統(tǒng)門控密封方法不同，該方法具有增強(qiáng)的環(huán)境穩(wěn)定性、生物特異性和成本效益，同時(shí)在復(fù)雜基質(zhì)中保持響應(yīng)能力并實(shí)現(xiàn)快速肉眼檢測，為細(xì)菌檢測提供了一種低成本、快速且可靠的工具，在環(huán)境監(jiān)測和臨床診斷等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：Aslan B C, Ekiz E, Tayyarcan E K, et al. Bacteriophage-Gated Optical Sensor for Bacteria Detection[J]. Analytical Chemistry, 2025.
來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~徐禮龍。
