【Adv.Healthcare Mater】用于细菌检测的生物传感器和即时护理设备为抗生素治疗提供信息的快速诊断
用于细菌检测的生物传感器和即时护理设备
为抗生素治疗提供信息的快速诊断
Advanced Healthcare Materials
Pub Date : 2021-11-30
DOI: 10.1002/adhm.202101546
随着抗菌素耐药性呈指数级上升和抗生素开发管道停滞不前，比以往任何时候都更需要优化当前的感染治疗方法。该过程中最重要的阶段之一需要快速有效地识别导致疾病的病原菌。当前细菌检测的金标准技术包括培养方法、聚合酶链反应和免疫测定。
然而，它们的使用充满了缺点，其中最突出的是周转时间长和精度低。这对其作为床旁设备的最终应用施加了很大的限制。随着时间的推移，已经提出并开发了创新的检测技术来遏制这些缺点。
在这次综述中，提供了一系列生物传感平台的系统总结，重点关注赋予高检测灵敏度和特异性的技术。进行了彻底的分析并突出了每种类型的生物传感器的优缺点，讨论了影响它们作为床旁设备潜力的因素，以及作者对其从概念验证系统转化为商业的见解提供医疗器械。
今天，抗微生物药物耐药性对全球公共卫生构成的威胁已导致越来越严重的健康问题，预计到2050年全球每年至少有1000万人死亡。抗生素是更广泛的抗微生物药物的一部分，是目前抵御细菌感染的主要防线。然而，近年来，细菌对抗生素的抗药性越来越强。这是由于医疗保健环境中不正确的剂量和不必要的处方使细菌细胞能够采用机制来规避这些抗生素提供的治疗效果。
除了抗生素耐药性之外，具有新靶向机制的抗生素的开发也非常缓慢；2019 年，世界卫生组织 (WHO) 报告称，目前正在临床开发的32种抗生素中，只有6种可以归类为“创新”抗生素。然而，这些抗生素仍远未在临床上可用，因为它们需要更严格和广泛的体外和体内测试以及监管机构随后对有效性和生物安全性的批准。
随着抗生素耐药性呈指数增长，并且缺乏治疗传染病的新型高效抗菌药物，细菌的检测和鉴定对于优化临床医生使用的治疗方案至关重要。病原体导向治疗将确保特定感染相关细菌被正确的抗生素/抗生素靶向正确的患者，从而实现更优化的康复并避免出现抗菌素耐药性。
这种方法需要及早识别引起感染的细菌种类。长期以来，基于实验室的传统技术，如细菌培养、聚合酶链反应 (PCR)、基因测序鉴定和免疫测定一直被使用，并且由于其相当高的灵敏度和特异性。图:1A总结了目前可用的最常见的细菌检测平台。
最近，人们转向设计和使用新颖的检测技术来规避与当前技术相关的一些限制。因此，为了满足这一需求，生物传感器已被广泛探索作为病原菌的检测平台，以快速准确地诊断传染病。这些是高度通用的设备，可用于利用一系列物理、化学和生物测量来识别特定微生物或生物标志物的存在。生化信号是通过细菌与目标传感元件（生物受体）的相互作用产生的，然后通过转换元件将其转换为可测量的物理可检测信号。
因此，3个主要组件是待分析的细菌样本、传感/转换元件，以及放大并产生输出信号以供显示的电子系统，如图1B 中详述 。基于这一原理，已经开发了几种生物传感设备，并且现在可以商业化购买。第一个生物传感器由Clark于1962年发明，而Yellow Spring Instruments于1975年设计的第一个用于医疗应用的商业生物传感器是葡萄糖传感器，目前用于检测患者糖尿病的发作。从那时起，生物传感器在多种医疗状况的诊断中的使用逐渐增长。
Grand View Research 最近发布的市场分析进一步证明了这一点，其中生物传感器市场在2020年估计为224亿美元。受对血液中细菌的快速、简单和低成本分类和识别的需求驱动/来自患者的尿液样本、用于细菌检测的生物传感器在过去十年中获得了发展。
图2：Web of Science上关于细菌检测生物传感器的年度出版物数量。
通过使用关键词（“传感器”或“传感器”或“生物传感器”或“生物传感器”或“传感”或“生物传感”）和（“细菌”或“细菌”或“微生物”）在Web of Science中（图 2）。这些设备已成功证明可以使用阻抗、伏安法和电流法、光学、比色和机械测量有效地检测细菌种类。目前，研究界对优化灵敏度（可以检测到的最小分析物量）和这些生物传感器的特异性越来越感兴趣。
在这篇综述中，首先概述了一些当前基于实验室的细菌识别方法，并概述了它们的优点和缺点，以及转向替代和更优化检测平台的日益增长的需求。
然后，系统地回顾了过去十年中不同类型的细菌传感装置和设计发展，旨在提高它们的灵敏度和检测限(LOD)。然后详细说明它们的相关优点和缺点。
接下来，广泛讨论了即时(POC)诊断系统的现状，并评估了影响当前研究管道中细菌生物传感平台转化为临床应用的潜在因素的因素。最后，提供了我们对用于细菌检测的生物传感器和POC设备的未来发展的见解。
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