耐药性检测，比基因检测更广泛应用的细菌“拉曼组”

耐药性快检，一直是摆在中外科学家面前的一道难题。10月19日《科学报告》上发表了一篇来自中科院青岛生物能源与过程研究所的论文，引起了学界的关注。论文提出基于“拉曼组”的耐药性快检技术，证明通过高通量单细胞拉曼成像，能够不依赖于培养、快速、定性、定量地表征细菌的药物应激性并区分其应激机制。

中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心主任徐健研究员告诉《中国科学报》记者说：“我们团队在研发微生物学新技术新装备的过程中，敏锐捕捉到了耐药性检测技术开发的巨大潜力和机遇。”

耐药性快检难题

20世纪初，世界上三分之一人死于肺炎、结核、肠炎及腹泻。相关文献资料显示，今天心脏病和癌症成为人类的主要杀手，因肺炎和流感死亡的人数则不到4.5%。这是人类应用抗生素在公共卫生领域取得的重要成果。

如今，人类却又走到了事情的另一个极端，滥用抗生素导致耐药菌的出现及广泛传播。对抗耐药性不仅需要研发新型抗生素，还需要发展耐药性快检技术和监测体系，以提高现有抗生素使用的针对性和有效性，从而推迟与遏制耐药性的传播。

因此，今年8月26日国家卫生计生委等14部门联合印发的《遏制细菌耐药国家行动计划（2016—2020）》明确提出：“加强抗菌药物应用和耐药控制体系建设”和“完善抗菌药物应用和细菌耐药监测体系”。

据徐健介绍，自细菌发现至今，培养法仍是病原菌药敏试验的主流通用标准，但对于临床常见致病菌，培养法耗时长达24-48小时（对于难培养或生长缓慢的细菌则无能为力），同时无法揭示耐药机制。

“PCR（聚酶链式反应）和基因组测序技术可通过鉴定耐药基因来间接推测耐药的可能性。”徐健进一步指出，“但该技术依赖于已知的耐药基因参照序列，故无法分析未知的耐药性，且通常无法定量检测，因此一般情况下只能作为一种辅助手段。”

临床实践上为了指导“精准用药”，急需细菌耐药性及其耐药机制的直接、快速测量技术。临床需求与技术现状的矛盾如此紧迫和突出，以至于2016年9月8日美国国立卫生研究院悬赏两千万美元，专门激励细菌耐药性快检技术的研发。

提出“拉曼组”概念

对这个领域的探索，中国科学家一直都在积极尝试。从2012年起，徐健团队就意识到耐药性检测技术开发的巨大潜力。利用单细胞中心近六年来开发的单细胞成像技术，徐健及其博士生滕琳提出了“拉曼组”的概念。

滕琳向记者解释了什么是“拉曼组”：它是特定条件和时间点下，一个细菌细胞群体之单细胞拉曼光谱的集合。每个单细胞拉曼光谱由分别对应于一类化学键的上千个拉曼峰组成，反映的是特定细胞内化学物质的成分及含量的多维信息，而且其测量无需破坏细胞、不需要标记，通常仅需毫秒乃至数秒钟。

因此，对于任一细菌群体，一个“拉曼组”相当于单细胞精度、可快速、低成本测定与监控的“代谢状态”或“代谢物组”，其变化可直接反映和表征其针对特定药物或环境变化的敏感性和耐受性。而不同的抑菌机制会引起细胞内代谢物组的不同变化，所以“拉曼组”的变化还具有区分乃至识别各种药物应激机制的潜力。

随后，来自中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞分析部、生物信息团队、微生物组部等部门的10多人参与的攻关小组成立，目标直指“拉曼组突破微生物耐药性快检”。

万事开头难，在项目进展过程中，滕琳和她的队友们遇到了不少困难，其中之一是“拉曼组”的数据分析。滕琳说：“该系列实验对来自各种药物种类、剂量、给药时间的300多个细胞群体进行了单细胞拉曼成像，采集了超过6000个细胞的拉曼光谱，共包括近900万个拉曼峰。”

重重压力下，这个乐观坚毅的女孩没有低头认输。经过四年多的努力，滕琳和攻关小组的其他队员们发展了一系列数据分析和可视化的新方法，深入挖掘和验证了“拉曼组”与微生物药物应激反应之间的相互关联，从而证明“拉曼组”能快速测量微生物耐药性并分辨其药物应激机制。

广泛的应用前景

此外，“拉曼组”还能准确测量给药过程中药敏性在细菌群体中的异质性变化，从而为研究细菌耐药性的起源和进化提供了有力工具。科研人员证明了“拉曼组”能够快速区分抗性细菌与非抗性细菌，因此它在抑菌药物筛选或耐药细菌筛选这两方面均具备成为一种新式平台技术的潜力。

徐健表示，作为一种新的“表型组”手段与组学大数据类型，“拉曼组”具有重要的优势。与传统意义上的转录组、蛋白组或代谢组不同，“拉曼组”在单个细胞精度对细胞群体或群落进行快速、低成本的代谢状态成像与监控，这对于生命体系异质性机制研究具有重要意义，同时在药物筛选、环境检测、生物资源挖掘、生物过程控制等领域将有广泛的应用前景。

在耐药性检测方面，“拉曼组”基于单细胞成像，不依赖于细菌的繁殖，通常能够在一个小时内完成细菌耐药性测量和机制区分，因此它在临床耐药性快检方面具有重要优势。

来源：科学网