新技術改善抗生素治療決策

生物醫(yī)學工程副教授鄭國安開發(fā)了一種新的傳感器技術，可以進行高時空分辨率和高靈敏度的大規(guī)模微生物監(jiān)測。

該傳感器可以確定治療患者某些細菌感染的最有效抗生素。與傳統(tǒng)方法相比，它為微生物學家和臨床醫(yī)生提供了更多關于微生物生長的詳細信息，速度更快，靈敏度更高。UConn 已經公布了這項發(fā)明的專利。

鄭的 ptychographic 傳感器在厘米尺度的視野內實現了單細胞空間分辨率和 15 秒的時間分辨率。

該傳感器由三個主要部分組成：照亮樣品的激光光源、涂有微珠散射層的圖像傳感器，以及保持設備在適當溫度下運行的冷卻器。微珠的散射層用作微生物監(jiān)測的計算透鏡。

整個設備可以放置在一個普通的孵化器中，也可以作為一個獨立的孵化單元進行長期實驗。

在最近發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics 上的一篇論文中，Zheng 在大腸桿菌(一種用于微生物監(jiān)測的模式生物)上測試了這項技術，并取得了巨大成功。他研究了大腸桿菌對兩種不同抗生素的反應：慶大霉素和氨芐青霉素。

當患者因潛在的細菌感染而進入醫(yī)院或其他醫(yī)療機構時，醫(yī)療保健從業(yè)人員將從感染部位采集樣本并將其培養(yǎng)在專門的培養(yǎng)基上，如瓊脂平板。將不同濃度的不同抗生素添加到培養(yǎng)基中以確定藥物的最小抑制濃度。結果使從業(yè)者能夠使用最有效的抗生素，同時降低耐藥風險。

“這個想法是我們試圖找到正確的藥物及其劑量來治療患者，”鄭說。

在鄭的傳感器中，樣品位于圖像傳感器的頂部以進行數據采集。當激光照射到樣品上時，光從樣品上衍射出來并被微珠的散射層調制以進行檢測。通過將設備平移到不同的 xy 位置，可以獲得許多衍射光圖案并用于重建細菌菌落的圖像。

重建過程的核心是一種稱為 ptychography 的成像技術。諸如圖像傳感器之類的光檢測器僅測量撞擊它們的光的強度變化。在記錄強度的過程中，它們丟失了相位信息，該信息表征了光在傳播過程中延遲了多少。Ptychography 最初是為電子成像而開發(fā)的，是一種相位檢索方法，可從許多不同的強度測量中恢復丟失的相位信息。

這種 ptychographic 重建過程產生了一個 3-D 圖像，科學家可以在計算機上查看該圖像，以了解細菌如何生長和對抗生素的反應。

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