Новости

Jul 01, 2023

Роман, низкий

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 12084 (2023) Цитировать эту статью 278 Доступ к метрикам Подробности Быстрое и точное обнаружение бионагрузки становится все более необходимым для продуктов питания, здоровья,

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12084 (2023) Цитировать эту статью

278 Доступов

Подробности о метриках

Быстрое и точное обнаружение бионагрузки становится все более необходимым в пищевой, медицинской, фармацевтической и экологической сферах. Чтобы точно и высокочувствительно обнаружить бионагрузку, мы изготовили новое микрофлюидное устройство со встроенным фильтром для улавливания клеток. Биологическую нагрузку обнаруживают на фильтровальной бумаге in situ с помощью окислительно-восстановительной реакции флуоресцентной метки резоруфина, а для измерения флуоресценции используют портативный многоканальный флуорометр. Микрофлюидное устройство было изготовлено простым, недорогим и быстрым способом с использованием термического соединения, индуцированного микроволновым излучением. Чтобы охарактеризовать качество склеивания микрофлюидных кассет, были проведены различные тесты, а также оптимизирован материал и размер фильтровальной бумаги. Первичные образцы бактерий культуры Bacillus subtilis фильтровали через устройство для проверки и исследования параметров производительности. Наши результаты показывают, что с помощью этого микрофлюидного устройства может быть достигнут предел обнаружения (LOD) 0,037 КОЕ/мл, тогда как LOD в обычной микрофлюидной кассете во флуорометре и спектрофотометре золотого стандарта составляет 0,378 и 0,128 КОЕ/мл соответственно. Результаты показывают, что с помощью этой микрофлюидной кассеты возможно улучшение LOD в три-десять раз, а также возможно более чувствительное обнаружение в зависимости от объема, отфильтрованного в течение 3 минут. Это новое микрофлюидное устройство вместе с флуорометром можно использовать в качестве быстрого портативного инструмента для высокочувствительного, точного и высокопроизводительного обнаружения бактерий в различных целях.

Ежегодно миллионы людей заболевают и умирают из-за заражения продуктов питания, воды или лекарств1. По данным Всемирной организации здравоохранения2, глобальное бремя болезней в размере 45% объясняется бионагрузкой. При производстве биофармацевтических препаратов загрязнение, связанное с бионагрузкой, также является серьезной проблемой3. В результате диагностические устройства становятся все более важными для идентификации бактерий и их чувствительности к антибиотикам4,5. Для обнаружения бионагрузки существует множество аналитических методов: биолюминесценция аденозинтрифосфата6, проточная цитометрия7, амплификация нуклеиновых кислот8, дыхание7, импедансные методы8 и обнаружение антител7, и это лишь некоторые из них. Большинство методов обнаружения требуют относительно длительного времени для обнаружения (от 3 часов до 7 дней)9. Более того, когда скорость обнаружения достаточно высока, стоимость и чувствительность становятся ограничениями10,11,12. В настоящее время анализы жизнеспособности клеток часто используются при разработке лекарств для изучения факторов роста, цитокинов и цитотоксических агентов, которые способны быстро обнаруживать жизнеспособные клетки и бактерии. В последние годы резазурин использовался при измерении жизнеспособности клеток для измерения окисления-восстановления данного образца. Для быстрого и чувствительного обнаружения бионагрузки в нашем предыдущем исследовании13 было продемонстрировано использование портативного флуорометра с питанием от USB для обнаружения жизнеспособных клеток в заданном образце на основе обнаружения резоруфина с высоким квантовым выходом из резазурина. В этой недорогой системе критерием определения бионагрузки служил наклон интенсивности флуоресценции. Жизнеспособные клетки контролировали с помощью окислительно-восстановительного индикаторного красителя резазурина. Исследуемый образец добавляли резазурин и загружали в микрофлюидную кассету специальной конструкции, а скорость превращения резазурина в резоруфин наблюдали с помощью флуорометра. Чтобы обнаружить бионагрузку с более высокой чувствительностью, в этом исследовании представлено новое микрофлюидное устройство со встроенным фильтром для автоматической фильтрации и обнаружения с указанными флуорометром и анализом.

За последние несколько десятилетий микрофлюидика стала мощной технологией и нашла применение в нескольких передовых областях исследований, включая аналитическую химию14, фармацевтику15, синтез химических веществ16 и клиническое применение17,18. В последнее время микрофлюидные технологии также применяются для изучения микроорганизмов. Микрофлюидные устройства с микроразмерами и крупномасштабной интеграцией предлагают множество особых преимуществ, включая низкую стоимость, более высокую производительность и более высокую эффективность анализа микроорганизмов19,20,21,22,23 и устойчивости антибиотиков24. В последних разработках в области микрофлюидики также используется фильтровальная бумага в качестве средства улавливания и обнаружения бактерий, и она становится популярной благодаря дешевизне, простоте доступа, обработки, модификации и утилизации25,26. Однако описанные микрофлюидные устройства на бумажной основе имеют очень высокий предел обнаружения (LOD) в диапазоне от 57 до 500 КОЕ/мл и низкую точность27,28,29,30. Устройства часто требуют сложных модификаций, т.е. функционализации антител, иммобилизации наночастиц и УФ-отверждения для формирования рисунков на фильтровальной бумаге для обнаружения27,28,29,30. Более того, устройства часто специфичны для обнаружения определенного штамма бактерий из-за определенной функционализации антител27,28,29,30. Эти недостатки препятствуют широкому использованию быстрых, простых и недорогих микрофлюидных устройств на основе фильтровальной бумаги для обнаружения бактерий, особенно в полевых условиях.