自动化药敏

多重耐药菌（MDR）和其耐药性的传播已成为全球公共卫生问题，MDR引起的血流感染往往病情较重，快速完成药敏检测并采取有针对性的治疗措施，对于降低患者的死亡率至关重要。但是，目前病原药敏试验耗时很长，导致临床医生主要依赖经验进行治疗。开发一种简单、快速、准确，而且临床广谱适用的药敏表型试验方法一直是临床上的迫切任务。针对这一难题，中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心与北京协和医院、青岛大学附属医院和青岛星赛生物等单位合作，以替加环素治疗败血症为模型，利用重水标记单细胞拉曼光谱技术（D2O-SCRS），建立了自动化版本的拉曼病原体药敏快检系统（CAST-R），将常见病原体（血液感染阳性培养瓶内）的药物敏感性实验（AST）的时长缩短至3小时，实现了十倍加速，可在培养瓶报阳当天得出药敏结果。该研究成果于近日发表在《微生物》杂志。该工作由北京协和医院检验科教授杨启文和该所单细胞中心研究员徐健共同主持完成。败血症是指病原菌侵入血液循环而引发的急性全身性感染。在引起血流感染的病原体中，鲍曼不动杆菌是最常见的病原体之一。目前，针对多重耐药或泛耐药病原体感染，比如鲍曼不动杆菌或碳青酶烯类耐药肠杆菌目等细菌感染，替加环素往往是针对抗感染治疗的最后一道防线。然而，临床检测病原体对替加环素的药敏性面临诸多难点。首先，替加环素理化性质不稳定，易氧化分解，而且培养基的类型、配制时间、检测方法、不同的菌种以及折点的选择等因素，都对替加环素的体外药敏结果有影响。其次，目前的药敏方法存在较多的难点和操作误区，也不易标准化。在中科院青岛能源所单细胞中心，记者看到，以年轻党员为骨干的“薛鸣球单细胞药敏快检技术攻关突击队”攻坚克难，展开了数轮技术攻关。由生物能源第一党支部单细胞中心的朱鹏飞、任立辉、戴靖以及北京协和医院朱盈等带领的攻关小组，联合青岛星赛生物公司和青岛大学附属医院的研究人员，从血培养阳性培养瓶中样本开始，使用CAST-R中自动化液体处理工作站（PLS）一站式完成样品D2O孵育、自动清洗和芯片定位；然后，利用仪器内置的软件（自主研发的算法）实现细胞精准定位与高通量拉曼光谱采集；最后，结合机器学习实现了光谱采集过程的自动化和智能化以及光谱的质量控制，得出准确药敏结果。CAST-R可针对血培养阳性培养瓶中的病原体直接进行自动化的药敏试验，速度提高了10倍。此前，单细胞中心科研团队提出了“最小代谢活性抑制浓度（MIC-MA）”这一测量药物敏感性的新概念，在此基础上，新的科研工作引入了“eMIC-MA”概念，以有效排除菌株起始状态和仪器改变对检测结果的影响。通过CAST-R测试了100株鲍曼不动杆菌临床分离株对替加环素药敏性，与临床金标准（微量肉汤稀释法；BMD）相比较的基本一致率和分类一致率分别为99%和93%，从而验证了CAST-R的准确性和可靠性。进而，针对26例患者血培养阳性培养瓶，测定了常见血流感染菌对替加环素、美罗培南、头孢他啶和氨苄西林/舒巴坦等8种抗生素的药物敏感性，并与BMD结果相比，分类一致率达到93%，验证了CAST-R在血流感染用药上的广谱适用性。这些结果验证了CAST-R自动化系统的快速、准确和可靠性以及临床适用性，加速了其临床应用。此外，利用单细胞中心前期发明的拉曼分选和测序技术（RACS-Seq）技术（Xu, et al., Small, 2020），CAST-R有望在单细胞精度建立耐药表型和基因型的联系，从而跟踪超级细菌的出现与耐药性的传播。该工作得到了北京协和医院检验科教授徐英春、青岛大学附属医院检验科教授朱元祺和单细胞中心研究员马波等的支持。获得了中科院先导专项、基金委国家重大科学仪器研制项目、中科院STS区域重点项目、广州生物岛实验室等的资助。

多重耐药菌（MDR）和其耐药性的传播已成为全球公共卫生问题。MDR引起的血流感染往往病情较重，快速完成药敏检测并采取有针对性的治疗措施，对降低患者的死亡率至关重要。目前，病原药敏试验耗时很长，导致临床医生主要依赖经验进行治疗。开发一种简单、快速、准确，而且临床广谱适用的药敏表型试验方法一直是临床上的迫切任务。近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心与北京协和医院、青岛大学附属医院和青岛星赛生物等合作，以替加环素治疗败血症为模型，利用重水标记单细胞拉曼光谱技术（D2O-SCRS），建立自动化版本的拉曼病原体药敏快检系统（CAST-R），将常见病原体（血液感染阳性培养瓶内）的药物敏感性实验（AST）的时长缩短至3小时，实现10倍加速，可在培养瓶报阳当天得出药敏结果。　　该研究从血培养阳性培养瓶中样本开始，使用CAST-R中自动化液体处理工作站（PLS），一站式完成样品D2O孵育、自动清洗和芯片定位。然后，利用仪器内置的软件（自主研发的算法）实现细胞精准定位与高通量拉曼光谱采集。最后，结合机器学习实现光谱采集过程的自动化和智能化以及光谱的质量控制，得出准确药敏结果。CAST-R可针对血培养阳性培养瓶中的病原体直接进行自动化的药敏试验，速度提高了10倍。青岛能源所单细胞中心前期提出“最小代谢活性抑制浓度（MIC-MA）”这一测量药物敏感性的新概念。在此基础上，该研究引入了“eMIC-MA”概念，以有效排除菌株起始状态和仪器改变对检测结果的影响。通过CAST-R测试100株鲍曼不动杆菌临床分离株对替加环素药敏性，与临床金标准（微量肉汤稀释法；BMD）相比较的基本一致率和分类一致率分别为99%和93%，从而验证CAST-R的准确性和可靠性。进而，针对26例患者血培养阳性培养瓶，测定了常见血流感染菌对替加环素、美罗培南、头孢他啶和氨苄西林/舒巴坦等8种抗生素的药物敏感性，并与BMD结果相比，分类一致率达到93%，验证了CAST-R在血流感染用药上的广谱适用性。相关成果发表在mLife上。研究得到中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委国家重大科学仪器研制项目、中科院科技服务网络计划区域重点项目、广州生物岛实验室等资助。

全日程更新|8月30日开播！31位嘉宾云聚第六届细胞分析网络会议iCCA2023（点击查看）仪器信息网将于2023年08月30日-09月01日举办第六届细胞分析网络会议（iConference on Cell Analysis，iCCA 2023）。大会首日8月30日，特设【类器官与器官芯片】专题会场，12位嘉宾在线分享类器官的构建及流式、细胞成像等表征分析技术的应用！在线免费向听众开放报名，欢迎报名参会！报名链接: https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/icca2023 （点击报名）随着医学科技的飞速发展，精准医学已逐渐成为当下医疗领域的核心理念。每位患者都希望得到最适合自己的治疗方案，而医生也期望为患者提供最有效、最安全的治疗建议。在此背景下，临床药敏试验的需求日益增长，因为它能为患者提供个性化的药物治疗方案。然而，传统的药敏试验方法，虽然在某些方面表现出色，但仍存在一些局限性。正因如此，类器官技术，特别是PDO (Patient-derived Organoids) 技术，凭借其快速、高效和模拟真实生物环境的特点，逐渐受到科研和临床界的关注。配图来源：可画类器官：生命科学的新前沿类器官，顾名思义，是一种能够模拟真实器官结构和功能的微型细胞结构。这些微型结构并不是简单地复制真实器官，而是在细胞层面上重现了器官的关键功能。它们是从干细胞或特定的前体细胞中培养出来的，经过一系列复杂的生物过程，最终形成一个三维的细胞结构。这个结构不仅在形态上与真实器官相似，而且在功能上也能够模拟器官的关键功能。但是，类器官技术的真正价值不仅仅在于它能够模拟真实器官的功能。更重要的是，它为科研人员提供了一个独特的平台，用于研究各种生物过程，包括器官的发育、疾病的发生和进展，以及药物的筛选和毒性测试。通过这个平台，科研人员可以更加深入地了解生命的奥秘，为未来的医学研究和治疗提供更为精确的数据支持。此外，类器官技术还为个性化医学提供了可能性。在过去，医生在为患者制定治疗方案时，往往需要依赖于统计数据和经验。但是，每个人的身体都是独特的，同样的治疗方案在不同的人身上可能会产生不同的效果。而通过类器官技术，医生可以从患者的身体中提取细胞，培养出类器官，然后在这个模型上进行药物测试，从而为患者制定出更为精确的治疗方案。药敏检测的生物材料：机会与挑战并存的PDO模型在医学研究的历程中，为了更好地理解疾病的机制和筛选有效的治疗方法，科研人员一直在努力寻找更为精确和实用的模型。传统PDX模型在过去的研究中发挥了重要作用，但随着科技的进步和研究需求的变化，类器官技术逐渐崭露头角，为药敏检测带来了新的机遇。当前可用的相关药敏检测材料大致可分为以下类型：细胞系 这是最传统的方法，涉及到使用已经在实验室中培养了很长时间的肿瘤细胞，虽然它们是容易获得和使用的，但它们可能已经失去了原始肿瘤的一些关键特性。球体培养 这是一种通过特定耗材将肿瘤细胞在三维环境中培养的方法，使它们形成球状结构。这种方法更好地模拟了肿瘤在体内的三维结构。PDX (Patient-derived Xenograft) 模型 即患者来源的异种移植模型，已经被证明可以反复传代并保留肿瘤的克隆结构和遗传多样性，这使得它成为了研究患者治疗反应的理想模型。然而，PDX模型的生成速度慢且成本高昂，这限制了其在诊断药物筛选和精准医学中的应用。与此相比，PDO (Patient-derived Organoids) 技术，即患者来源的类器官技术，提供了一个三维细胞培养模型，能够模拟真实的生物环境。这种技术的主要优势在于它可以快速生成，非常适合进行药物敏感性测试。但PDO技术在生成和扩展过程中仍然面临一些挑战。具体来说，虽然PDO技术可以在短时间内生成，但要将其扩展到足够的规模以进行药物测试，可能需要更多的时间和资源。此外，PDO技术的复杂性也意味着需要专门的设备、耗材和技能来进行操作，这增加了其在临床中的应用成本。配图来源：可画目前类器官用于临床药敏检测的实践难点尽管类器官技术为医学研究和治疗带来了巨大的潜力，但在实际应用中，这一技术仍然面临着一系列的挑战和难点。1.时间延迟的问题在许多疾病的治疗中，时间是至关重要的。特别是在肿瘤治疗中，及时的干预往往意味着更高的治愈率和更好的生活质量。在临床实践中，治疗决策通常在14天内做出，而当前的PDO生成时间框架可能会导致延误。这意味着，患者可能需要等待较长的时间才能获得治疗建议，这无疑增加了治疗的风险和不确定性。2.技术挑战尽管类器官技术在理论上具有巨大的潜力，但在实际应用中，这一技术仍然面临着一系列的技术挑战。例如，为了开发出具有临床应用价值的诊断试验，研究人员需要加速PDO的生成和功能测试。此外，从核心活检中开发自动化程序也是一个技术难题。3.免疫肿瘤学的挑战随着免疫疗法在肿瘤治疗中的应用越来越广泛，免疫肿瘤学的研究也变得越来越重要。然而，要在类器官培养中重现生理免疫活动是一个巨大的挑战。尽管已经有了一些初步的研究，例如外周血淋巴细胞和肿瘤类器官的共培养模型，但这一领域仍然有很多未知的问题需要研究人员去探索和解决。近年的类器官新技术探索--MOS技术是否能够突破PDO的瓶颈在医学研究领域，新技术的出现往往意味着新的机遇和挑战。2022年6月，Ding et al 提出一种名为micro-organospheres (MOS) 技术[1]。它作为类器官技术的一个新分支，近期逐渐受到了科研人员的关注。那么，MOS技术到底是什么？它的技术路线是怎样的？又为临床实践带来了哪些优势？1.MOS技术的定义Micro-Organospheres (MOS) 是一种新型的微型类器官技术。与传统的类器官技术不同，MOS技术使用微滴乳化微流控技术从低体积患者组织中快速生成微型类器官。这些微型结构不仅在形态上与真实器官相似，而且在功能上也能够模拟器官的关键功能。更为重要的是，MOS的小尺寸和高表面积对体积比，使其易于被患者来源的免疫细胞渗透，这为免疫疗法的研究和应用提供了新的机会。2.MOS技术的技术路线MOS技术的关键在于其独特的生成方法。传统的类器官技术往往需要较长的时间和复杂的步骤，而MOS技术则大大简化了这一过程。通过微滴乳化微流控技术，研究人员可以从小部分组织活检中快速生成数千个MOS，这不仅大大提高了生成效率，而且降低了成本。更为重要的是，这种方法使得MOS技术在某些特定的应用中（如：T细胞治疗），拥有了独特的优势。（图片来源：“Patient-derived micro-organospheres enable clinical precision oncology”. Cell Stem Cell. 2022 Jun 2 29(6):905-917.e6.）3.MOS技术在临床实践中的优势Ding et al文献中，通过对8名转移性结直肠癌患者的临床研究，结果显示通过MOS试验产生的报告可以控制在14天内（平均10天），而且与后续的临床研究结果具有一致性。此外，MOS保留了原始肿瘤组织的基质细胞和免疫细胞的活性，为测试免疫治疗提供了有力的工具。这意味着，患者可以更早地获得治疗建议，从而提高治疗的效果。当然，从实践的角度而言，这项技术仍在早期的探索阶段。因此还需要进行更多数据的验证，以及进一步的评估。未来展望：类器官在临床药敏试验中的应用与发展随着医学研究的深入，类器官技术逐渐成为了一个研究热点。这一技术不仅为基础研究提供了一个有前景的研究平台，而且为临床药敏试验带来了新的机遇。那么，面对未来，类器官技术在临床药敏试验中的应用和发展会是怎样的呢？1.技术的多样化除了MOS技术外，还有许多其他的类器官技术正在被研究和开发。例如，患者来源的类器官与免疫细胞的共培养模型，微流控类器官芯片等都是潜在的研究方向。这些技术各有优势，为临床药敏试验提供了更为广泛的选择。2.个性化治疗的新机遇随着精准医学的发展，个性化治疗成为了一个重要的研究方向。类器官技术为这一领域提供了一个有前景的研究平台。通过对患者来源的类器官进行药物敏感性测试，医生可以为患者提供更为精确和个性化的治疗建议。3.免疫疗法的研究和应用随着免疫疗法在肿瘤治疗中的应用越来越广泛，如何确保免疫细胞的活性和效力成为了一个重要的研究方向。类器官技术为这一领域提供了一个有前景的研究平台。例如，外周血淋巴细胞和肿瘤类器官的共培养模型已经被用于测试肿瘤反应性T细胞，这为免疫疗法的研究和应用提供了新的思路。类器官技术为医学研究和治疗带来了新的机遇。随着技术的不断完善和应用，我们有理由相信，未来的医学研究和治疗将会变得更为精准和高效。但同时，我们也需要认识到，技术的成功应用需要各个学科的研究人员进行深入的合作和交流。配图来源：可画丹纳赫生命科学类器官研究解决方案类器官的制备具有较高的操作和专业要求，丹纳赫生命科学提供类器官研究从类器官制备到鉴定的完整解决方案，全面助力类器官的制备过程，辅助药敏检测实验的研究开展。类器官自动化培养丹纳赫生命科学旗下贝克曼库尔特自动化工作站Biomek系列，采用吸头移液方法实现自动化实验操作，是类器官自动化培养与换液的全能助手。可匹配后续核酸提取以及二代测序DNA/RNA建库流程，实现从细胞培养到分析应用的全自动化。贝克曼库尔特Biomek i5实验室自动化工作站对于有药筛实验需求的研究，可在Biomek自动化系统基础上搭配Echo 650纳升级移液工作站。利用Echo无接触、体积小的特点，将化合物转移到实验板里。贝克曼库尔特Echo 650纳升级移液工作站类器官观察使用一般的倒置显微镜较难清晰观察到类器官的多层组织结构，因此需要利用到共聚焦成像、3D成像等新技术手段。丹纳赫生命科学旗下徕卡显微系统的MICA全场景显微成像分析平台，满足不同检测精细度及应用目的需要，还可以直接培养并观察细胞。Leica MICA全场景显微成像分析平台丹纳赫生命科学旗下美谷分子仪器的ImageXpress Confocal HT. ai智能型共聚焦高内涵成像与分析平台，在药效鉴定、药毒性筛查、科学研究中提供各种类型类器官模型高通量成像与3D分析。MD ImageXpress Confocal HT.ai智能型共聚焦高内涵成像与分析平台