对抗耐药菌新利器—毛细管波微生物反应器革新噬菌体筛选技术
2025-06-12 来源:本站 点击次数:290对抗耐药菌新利器：毛细管波微生物反应器革新噬菌体筛选技术
——PipeJet 纳升级微量分液模块助力噬菌体疗法研究
——PipeJet 纳升级微量分液模块助力噬菌体疗法研究
在抗生素过度使用的当下，多重耐药病原菌数量不断攀升，严重威胁人类健康。噬菌体疗法凭借高度特异性，成为极具潜力的治疗选择。然而，传统的噬菌体筛选方法，如在双层琼脂平板上进行细菌培养和噬菌体添加以引发细菌裂解，不仅操作繁琐、工作量大，而且难以实现并行化和自动化，严重限制了筛选效率。在此背景下，开发一种高效、快速且能实现高通量筛选的方法至关重要，不仅能加速噬菌体疗法的临床应用，还可能为耐药菌感染带来新的突破。
本次介绍的文章是《PhagoScreener: A novel phagogram platform based on a capillary-wave microbioreactor》，来自德国布伦瑞克工业大学生物化学工程研究所的研究团队，于2024年发表在《New BIOTECHNOLOGY》杂志。该团队建立了一套新的基于毛细管波微生物反应器（capillary-wave microbioreactor ，cwMBR）的噬菌体筛选技术，有望加速噬菌体研究的临床应用。
实验步骤
- 1.菌株与噬菌体准备：大肠杆菌K12 MG1655在复合培养基中摇瓶过夜培养作为预培养物。噬菌体 MM02和EASG3分别用噬菌体缓冲液复苏后进行直接的噬斑测定，以确定噬菌体滴度，并制备初级、次级裂解液备用。
- 2.cwMBR 平台搭建：cwMBR 芯片由飞秒激光直写结合选择性湿法蚀刻光敏玻璃制成，继而置于 3D 打印的平台支架中。支架由方形聚氯乙烯板和电子激励器组成。将整体平台放入连接恒温器和超声波加湿器的培养箱内，通过垂直振荡技术混合液滴产生特定波型的毛细管波，以微涡流的形式引起对流，通过相关软件、声卡和放大器驱动，蓝色 LED 用作吸光度测量的光源。
图 1. cwMBR 平台：3D 打印的cwMBR支架、cwMBR芯片及其他组件
支架底座最多可包含 9 个入口，每个入口容纳 1 个 cwMBR 芯片。入口将 cwMBR 和光纤固定在适当的位置，以便传感器读出；盖子和湿润的海绵可最大限度地减少 cwMBR 芯片的蒸发；蓝色 LED 用作吸光度测量的光源。
支架底座最多可包含 9 个入口，每个入口容纳 1 个 cwMBR 芯片。入口将 cwMBR 和光纤固定在适当的位置，以便传感器读出；盖子和湿润的海绵可最大限度地减少 cwMBR 芯片的蒸发；蓝色 LED 用作吸光度测量的光源。
- 3.Biofluidix 相关操作：使用德国 BioFluidix公司开发的 PipeJet Nanodispenser 纳升级微量分液模块评估吸光度传感器系统对微生物培养液浓度测量的适用性。先向 cwMBR 芯片半填充 3.5 μL 氯化钠溶液，再用PipeJet纳升级微量分液模块以 0.5 μL 的增量添加浓缩大肠杆菌培养物（OD≈16）直至体积达 7 μL，测定每步添加后的电路电压，建立电压与细胞浓度关系。
- 4.培养实验与噬菌体筛选：分别在 cwMBR 和 96 孔板中培养大肠杆菌并对比，同时进行噬菌体筛选实验。将预培养的大肠杆菌稀释后，7 μL 用PipeJet纳升级微量分液模块加入 cwMBR，100 μL 加入 96 孔板。cwMBR 培养时控制温度、湿度和振荡条件，96 孔板在酶标仪中培养，设置振荡和不振荡组，定期测量吸光度和细胞计数。噬菌体筛选实验中，大肠杆菌培养至特定光密度后添加不同浓度的噬菌体，设置生长对照，同步培养并测量。
- 5.统计分析：所有实验设置三个重复，采用单因素方差分析判断不同噬菌体、噬菌体感染复数（MOI）或培养系统对最终细胞数量的影响。
实验结论
- 1.传感器系统性能良好：开发的基于光电阻的吸光度传感器系统成本效益高、可高度并行化，测量结果与细胞浓度在一定范围内呈良好线性关系（R2 = 95.0%），适用于噬菌体筛选及其他细胞相关应用（图2）。
图 2 . 基于 Arduino 的吸光度传感器系统在不同光密度（λ=600nm，范围为 0 至 8.32）和细胞数量（范围为 0 至 4.23×109 mL-1 ）下相对于 OD=0 的电压变化此图展示了毛细管波微生物反应器（cwMBR）芯片中的数据情况。
- 2.cwMBR 培养优势显著：cwMBR 与振荡的 96 孔板培养效果相似且优于非振荡的 96 孔板。cwMBR 中大肠杆菌生长良好，细胞密度和生长速率较高。其亲水性玻璃表面减少噬菌体吸附，芯片可重复使用，且未来可高度并行化和自动化。
- 3.适用于不同噬菌体筛选：cwMBR 适用于不同噬菌体如MM02 和 EASG3的筛选，可区分其裂解动力学差异，同时在线裂解测量可加速噬菌体筛选过程，未来有望用于高通量筛选和个性化医疗。
综上所述，cwMBR 为噬菌体筛选提供了一种经济、高效的替代方案，快速生成噬菌体筛选结果。结合液体处理系统德国BioFluidix公司的PipeJet Nanodispenser 纳升级微量分液模块，cwMBR 的并行化能力有效提升，可快速筛选大量噬菌体库以及噬菌体 - 噬菌体、噬菌体 - 抗生素组合，为个性化医疗中的噬菌体疗法乃至其他应用（如抗生素敏感性测试）提供有力支持。后续研究将针对临床更相关的微生物开展噬菌体筛选实验，并探索其最佳初始细胞浓度，进一步拓展 cwMBR 的应用潜力。
更多信息请参考原文：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1871678424005363
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1871678424005363
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