南开大学刘定斌团队: 快速可视化检测碳青霉烯耐药菌

英文原题：Achieving Ultrasensitive Chromogenic Probes for Rapid, Direct Detection of Carbapenemase-Producing Bacteria in Sputum

通讯作者：刘定斌，南开大学

作者：Wenshuai Li, Jingjing Wang, Chen Li, Zhiyou Zong, Jinzhong Zhao, Hongmei Gao, and Dingbin Liu*

抗生素在医学和农业中的不当使用加速了耐抗生素细菌的传播，导致超级细菌的出现，已成为全球公共卫生的主要威胁。在常用的抗生素中，碳青霉烯类抗生素是杀灭革兰氏阳性和革兰氏阴性菌最有效的广谱抗生素，被认为是治疗严重细菌感染的最后手段。产碳青霉烯酶细菌（carbapenemase-producing bacteria, CPB）是临床上最危险的超级细菌，已成为细菌感染治疗失败的主要原因，对其进行快速即时检测有助于制定及时有效的治疗方案（特别是对于重症患者）。目前，临床上所依赖的微生物培养方法耗时较长（通常超过48小时），进一步得到药敏结果还需2-7天，无法满足快速即时诊断的临床需求。传统的Carba NP 检测虽能在2小时内特异性检测碳青霉烯酶，但假阴性率高，在临床检测中发挥的作用有限。因此，开发一种快速、准确、廉价的CPB即时检测方法对于临床抗感染治疗用药选择具有重要意义。

图1. CCSs分子被碳青霉烯酶水解引起光学信号变化及反应机理

近日，南开大学化学学院的刘定斌课题组开发了一种超灵敏可视化探针，能够在15分钟内直接检测出临床痰液中的CPB。该探针以碳青霉烯类显色底物（chromogenic carbapenem substrate，CCS）为母核，与电负性可调的苯衍生物结合进行模块化设计。当CCS分子的β-内酰胺环被碳青霉烯酶裂解时，酰胺氮转化为仲胺，导致分子共轭体系增大，分子内电荷转移效应增强，从而导致CCS分子紫外光谱及其颜色发生变化。作者合成了5种不同电负性取代基的CCSs进行分子优化，包括三个吸电子基团（-N+(CH3)3、-C≡N和-C≡CH），一个给电子基团（-NH2）和一个未取代的苯环。当CCSs分子被碳青霉烯酶水解后，只有吸电子取代的CCSs分子颜色由黄变红，且红色程度与取代基的吸电子能力呈正相关：-N+(CH3)3>-C≡N>-C≡CH。特别地，他们发现CCS中的带正电的取代基（如-N+(CH3)3）不仅可以促进吸收带的红移，还可以增强与碳青霉烯酶的分子相互作用，从而显著提高显色探针的灵敏度（图1）。

图2. 肺感染患者临床痰液CPB检测

为了更方便地将该探针应用于临床检测，作者将探针滴加到纸芯片上，结合智能手机的颜色识别程序构建快速分析平台。相较于传统的 Carba NP 检测，在该芯片在15分钟内从80例肺感染脓毒症患者中筛出24例碳青霉烯类抗菌药物耐药病例，达到了100%的准确性（检测结果与RT-PCR检测一致）和特异性，无需复杂耗时的临床样本处理，且不依赖专业测试人员即可完成操作，实现了碳青霉烯抗菌药物耐药的即时检测（图2）。

图3. 多种检测方法性能比较

本文设计并成功合成了第一个能够以100%的灵敏度和特异性用于肉眼快速直接检测真实临床样本中CPB的化学探针。该探针具有如下显著特点：第一，这种显色分析无需痰培养，不需要仪器和复杂的样品预处理，在几分钟内通过肉眼就可以得出结果；第二，CCS-N+(CH3)3在临床试验中的检测精度与RT-PCR和微生物培养方法相当，远高于Carba NP试验；第三，CCS-N+(CH3)3纸芯片每次测试只需花费约0.1美元，与Carba NP测试相当，但比RT-PCR（约5美元）和微生物培养方法（约1美元）便宜得多（图3）。课题组未来的工作将集中于扩展CCSs分子的推拉电子效应引起颜色变化这一有效策略，以开发其他β-内酰胺酶（如BSBL、ESBL和AmpC）的高灵敏度显色探针，这些探针将与CCS-N+(CH3)3集合在纸芯片上，用于快速鉴别各级别的抗生素耐药性，以指导更加精准的抗生素用药和管理。

这一重要的研究成果近期发表在JACS Au 期刊上。该论文的第一作者是南开大学化学学院的博士研究生李文帅，刘定斌教授是论文的唯一通讯作者。该项目获得国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

通讯作者简介

刘定斌，国家海外人才计划入选者。

2006年本科毕业于兰州大学，2012年博士毕业于国家纳米科学中心（师从蒋兴宇教授），随后在美国国立健康研究院（师从Shawn Chen教授）开展疾病检测研究；2014年加入南开大学化学学院，任研究员/教授、药物化学生物学国家重点实验室体外检测与分子影像研究室课题组长（PI）。近年来，已在包括PNAS、JACS、JACS Au、Angew. Chem.、Nano Lett.等国际著名期刊上发表生物检测和临床诊断相关论文90余篇，已获授权专利十余项，并实现了部分专利的成果转化。主持多项国家级项目，包括国家重点研发计划课题和国家自然科学基金；荣获中华医学会青年科技奖；担任国际医学杂志Nanotheranostics 副主编/编委和《高等学校化学学报》青年编委。    

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转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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