精准纳升分液助力实现噬菌体筛选的动态检测
2025-10-22 来源:本站 点击次数:39精准纳升分液助力自动化毛细管波微型生物反应器：加速噬菌体疗法的突破性平台
抗生素滥用催生的多重耐药菌已成为全球健康威胁，而噬菌体疗法凭借对耐药菌的精准裂解能力，成为抗生素替代方案的核心方向。噬菌体筛选的关键环节即噬菌斑图（phagograms）检测，主要依赖繁琐的双层琼脂平板法，存在操作耗时、通量低、重复性差等问题。现有商业化微型生物反应器因体积大（≥1mL）、通量不足、塑料表面吸附噬菌体等局限，无法满足需求。
德国布伦瑞克工业大学生化工程研究所的团队于2025年在《Engineering in Life Sciences》杂志发表了名为《Automation of a Capillary-Wave Microbioreactor Platform to Enhance Phage Sensitivity Screen Efficiency》的文章。在该项研究中，科研团队开发了一种自动化毛细管波微型生物反应器（capillary-wave microbioreactor，cwMBR）平台。通过纳升小体积的精准加样技术，实现了噬菌体筛选的动态检测，为噬菌体筛选提供了新的思路。
实验流程与结果
1. 自动化 cwMBR 平台搭建与核心设备集成
（1）基础模块构建
制备含 7μL 腔室的 Foturan 玻璃芯片，装入 3D 打印聚乳酸（PLA）支架，集成加热膜、伺服活动盖（用于保湿防蒸发）及振荡混合模块（用于快速混合）部件。
（2）安装Biofluidix 纳升级分液模块
- 设备固定与校准：将2 台德国Biofluidix的PipeJet 纳升级微量分液模块安装于步进电机驱动滑台，与中间的 465nm LED光源对齐，确保分液喷头精准对准芯片腔室。
- 液体配置与参数设定：将储液池与Pipejet喷头连接，在储液池中分别装入去离子水（用于补充蒸发的水分）和噬菌体溶液；校准分液装置至 2nL 级加样精度，变异系数 0.37%。
（3）检测系统整合
搭建平行光谱光检测器（parallelized spectrometric light detector，PSLD），通过光纤连接芯片与光谱仪，Python 软件实时采集数据；整个平台置于恒温恒湿腔（37℃、95% 湿度）。（图1）
搭建平行光谱光检测器（parallelized spectrometric light detector，PSLD），通过光纤连接芯片与光谱仪，Python 软件实时采集数据；整个平台置于恒温恒湿腔（37℃、95% 湿度）。（图1）
图 1 自动化毛细管波微型生物反应器（cwMBR）平台（A）Pipejet纳升分液装置与 LED 灯支架：支架上固定有2台Pipejet纳升分液装置，每台分液装置均连接有作为储液池的移液器吸头（通过管路连接）。LED 灯位于两台分配器之间，（B）3D 打印 cwMBR 支架（含芯片、加热膜、光屏障及伺服控制活动盖）：该支架最多可容纳 9 个线性排列的 cwMBR 芯片。（C）自动化 cwMBR 平台整体示意图：3D 打印 cwMBR 支架放置于振荡平台上，通过垂直振荡实现混合；Pipejet纳升分液装置连接至带步进电机的线性滑台，可在 cwMBR 芯片上方精准移动。透光强度的测量由平行光谱光检测器完成，该检测器通过光纤与 cwMBR 芯片相连。所有设备均置于恒温培养箱内，培养箱通过散热器与恒温器加热，并通过水浴中的超声波加湿器维持湿度。
2. 平台性能表征
- 体积稳定性验证：实验测得蒸发率 1.84μL/h，编程控制 Biofluidix Pipejet纳升分液装置每 15min 补 0.46μL 水，8h 内体积波动＜0.1μL。
- 温度与检测性能测试：对比传统设备，cwMBR 14.9min 达 37℃，芯片间温差＜0.7℃；PSLD 传感器与 OD 值线性相关（R²=99.91%），10 次检测波动＜0.4%。
3. 自动化噬菌斑图验证
- 接种 6.5μL 大肠杆菌预培养物至芯片，孵育 1h 后，通过Pipejet纳升分液装置精准添加噬菌体，形成多重感染复数（multiplicity of infection，MOI）=10⁻³ 和 10⁻⁵两组，并设无噬菌体对照组。
- 实验期间Pipejet纳升分液装置自动补液，PSLD 实时追踪细胞浓度，结合显微镜计数验证结果。
4. 统计分析
采用单样本 t 检验并验证体积与温度稳定性，单因素方差分析比较设备差异（α=0.05）。
研究核心结论
采用单样本 t 检验并验证体积与温度稳定性，单因素方差分析比较设备差异（α=0.05）。
研究核心结论
- 成功构建高性价比自动化平台：整合 Biofluidix Pipejet纳升分液装置与 cwMBR，实现 9 组平行 7μL 反应的自动化操控，解决传统设备体积大、平行化不足的痛点。
- 关键性能领跑行业：Pipejet分液装置实现 2nL 级精准加样，体积波动仅 0.88%；加热效率与温度均一性显著优于 96 孔板，检测系统重复性极高。
- 噬菌体筛选效率倍增：4h 内即可获得大肠杆菌裂解动力学数据，较传统平板法大幅提速，且减少 90% 以上手动操作，清晰区分不同 MOI 的裂解差异。
实验表明，该平台以亲水防吸附、纳升级精准、实时动态检测三大优势，为噬菌体疗法高通量筛选提供核心工具，未来可拓展至噬菌体鸡尾酒、药-菌联合疗法研究，加速耐药菌感染救治进程。
更多资讯请参考原文：https://doi.org/10.1002/elsc.70021
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