對抗耐藥菌新利器：毛細管波微生物反應器革新噬菌體篩選技術

——PIpeJet 納升級微量分液模塊助力噬菌體療法研究
在抗生素過度使用的當下，多重耐藥病原菌數量不斷攀升，嚴重威脅人類健康。噬菌體療法憑借高度特異性，成為極具潛力的治療選擇。然而，傳統的噬菌體篩選方法，如在雙層瓊脂平板上進行細菌培養和噬菌體添加以引發細菌裂解，不僅操作繁瑣、工作量大，而且難以實現并行化和自動化，嚴重限制了篩選效率。在此背景下，開發一種高效、快速且能實現高通量篩選的方法至關重要，不僅能加速噬菌體療法的臨床應用，還可能為耐藥菌感染帶來新的突破。

本次介紹的文章是《PhagoScreener: A novel phagogram platform based on a capillary-wave microbioreactor》，來自德國布倫瑞克工業大學生物化學工程研究所的研究團隊，于2024年發表在《New BIOTECHNOLOGY》雜志。該團隊建立了一套新的基于毛細管波微生物反應器（capillary-wave microbioreactor ，cwMBR）的噬菌體篩選技術，有望加速噬菌體研究的臨床應用。

實驗步驟

• 1.菌株與噬菌體準備：大腸桿菌K12 MG1655在復合培養基中搖瓶過夜培養作為預培養物。噬菌體 MM02和EASG3分別用噬菌體緩沖液復蘇后進行直接的噬斑測定，以確定噬菌體滴度，并制備初級、次級裂解液備用。
• 2.cwMBR 平臺搭建：cwMBR 芯片由飛秒激光直寫結合選擇性濕法蝕刻光敏玻璃制成，繼而置于 3D 打印的平臺支架中。支架由方形聚氯乙烯板和電子激勵器組成。將整體平臺放入連接恒溫器和超聲波加濕器的培養箱內，通過垂直振蕩技術混合液滴產生特定波型的毛細管波，以微渦流的形式引起對流，通過相關軟件、聲卡和放大器驅動，藍色 LED 用作吸光度測量的光源。

圖 1. cwMBR 平臺：3D 打印的cwMBR支架、cwMBR芯片及其他組件
支架底座最多可包含 9 個入口，每個入口容納 1 個 cwMBR 芯片。入口將 cwMBR 和光纖固定在適當的位置，以便傳感器讀出；蓋子和濕潤的海綿可最大限度地減少 cwMBR 芯片的蒸發；藍色 LED 用作吸光度測量的光源。

• 3.Biofluidix 相關操作：使用德國 BioFluidix公司開發的 PipeJet Nanodispenser 納升級微量分液模塊評估吸光度傳感器系統對微生物培養液濃度測量的適用性。先向 cwMBR 芯片半填充 3.5 μL 氯化鈉溶液，再用PipeJet納升級微量分液模塊以 0.5 μL 的增量添加濃縮大腸桿菌培養物（OD≈16）直至體積達 7 μL，測定每步添加后的電路電壓，建立電壓與細胞濃度關系。
• 4.培養實驗與噬菌體篩選：分別在 cwMBR 和 96 孔板中培養大腸桿菌并對比，同時進行噬菌體篩選實驗。將預培養的大腸桿菌稀釋后，7 μL 用PipeJet納升級微量分液模塊加入 cwMBR，100 μL 加入 96 孔板。cwMBR 培養時控制溫度、濕度和振蕩條件，96 孔板在酶標儀中培養，設置振蕩和不振蕩組，定期測量吸光度和細胞計數。噬菌體篩選實驗中，大腸桿菌培養至特定光密度后添加不同濃度的噬菌體，設置生長對照，同步培養并測量。
• 5.統計分析：所有實驗設置三個重復，采用單因素方差分析判斷不同噬菌體、噬菌體感染復數（MOI）或培養系統對最終細胞數量的影響。

實驗結論

• 1.傳感器系統性能良好：開發的基于光電阻的吸光度傳感器系統成本效益高、可高度并行化，測量結果與細胞濃度在一定范圍內呈良好線性關系（R² = 95.0%），適用于噬菌體篩選及其他細胞相關應用（圖2）。

圖 2 . 基于 Arduino 的吸光度傳感器系統在不同光密度（λ=600nm，范圍為 0 至 8.32）和細胞數量（范圍為 0 至 4.23×10 ⁹ mL ^-1 ）下相對于 OD=0 的電壓變化此圖展示了毛細管波微生物反應器（cwMBR）芯片中的數據情況。

• 2.cwMBR 培養優勢顯著：cwMBR 與振蕩的 96 孔板培養效果相似且優于非振蕩的 96 孔板。cwMBR 中大腸桿菌生長良好，細胞密度和生長速率較高。其親水性玻璃表面減少噬菌體吸附，芯片可重復使用，且未來可高度并行化和自動化。
• 3.適用于不同噬菌體篩選：cwMBR 適用于不同噬菌體如MM02 和 EASG3的篩選，可區分其裂解動力學差異，同時在線裂解測量可加速噬菌體篩選過程，未來有望用于高通量篩選和個性化醫療。

綜上所述，cwMBR 為噬菌體篩選提供了一種經濟、高效的替代方案，快速生成噬菌體篩選結果。結合液體處理系統德國BioFluidix公司的PipeJet Nanodispenser 納升級微量分液模塊，cwMBR 的并行化能力有效提升，可快速篩選大量噬菌體庫以及噬菌體 - 噬菌體、噬菌體 - 抗生素組合，為個性化醫療中的噬菌體療法乃至其他應用（如抗生素敏感性測試）提供有力支持。后續研究將針對臨床更相關的微生物開展噬菌體篩選實驗，并探索其最佳初始細胞濃度，進一步拓展 cwMBR 的應用潛力。

更多信息請參考原文：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1871678424005363

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