来源：Nature Portfolio
依赖细菌运动、基因组学和机器学习的诊断方法可能有助于解决全球危机 。
2007年 ， Maha Farhat在南非德班的一家医院照顾病人 。 许多人感染了HIV（艾滋病病毒） 。 但是 ， 令当时的住院医师Farhat和她的病人焦虑不安的感染并不是由病毒引起的 ， 而是一种细菌：结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis ， 肺结核的病原体） 。 特别令她担心的 ， 是对普通抗生素有耐药性的菌株 。
尽管免疫功能低下的个体特别容易感染结核病 ， 但并非艾滋病患者才会患病 。 2019年 ， 全球有140万人被结核分枝杆菌夺去生命 ， 其中HIV仅20.8万人 。 Farhat如今是哈佛大学的医生和生物信息学家 ， 她说虽然结核病曾被COVID-19短暂取代 ， 但它仍然是全球头号传染病杀手 。 耐药性结核杆菌是造成这一问题的主要原因 。

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细菌对抗生素的耐药性是一项世界性难题 。 新的解决方案希望能改变局面 。 来源：Joao Silva/NYT/Redux/eyevine
各种类型的抗药性病原体引发了一场抗生素耐药性危机 ， 威胁到公共卫生、农业、畜牧业等各领域 。 但是找出这些菌株并确定有效的治疗方法是个棘手的工作 。 在资源有限的国家 ， 很难建设起具备处理特别传染性病原体（如结核分枝杆菌）资格的实验室 ， 而用于检测药物敏感性的仪器可能需要数日才能返回结果 。 在许多情况下 ， 医生只有在一种或多种标准抗生素失败后才进行耐药性检测 。 在等待结果期间 ， 患者可能会开始一个不必要或无效的抗生素疗程 ， 或未经治疗就离开诊所 。
Farhat和其他研究者正求助于诸如原子力显微镜、基因组学和机器学习等工具 ， 以建造能在数分钟内提供结果的即时诊断测试 ， 进而最大限度地减少错误或不必要的处方使用 。 德国格赖夫斯瓦尔德大学医学中心的临床微生物学家Evgeny Idelevich说：“加快检测速度是当下所需的最重要进展 。 ”
检测细菌生长
圆盘扩散试验是评估微生物药物敏感性的金标准 ， 可追溯到1889年 。 研究人员在琼脂盘上培养细菌 ， 然后将含有抗菌药物的小纸片贴在细胞表面 。 如果药物杀死细菌或阻止细菌生长 ， 纸片周围的区域就会变得透明 ， 表明微生物对药物敏感 。
一些公司利用此原理开发了自动化检测的抗生素敏感性测试仪器 ， 例如美国BD Biosciences公司的BD Phoenix以及法国bioMérieux公司的VITEK 2 。 这些系统在含有抗生素的液体培养中培养细菌 ， 并检测代表细菌生长或死亡的光学变化 。 由于临床医生必须将样本送到临床微生物实验室 ， 再加上检测通常需要4-8个小时 ， 故可能需要一天或更长时间才能获得结果<1> 。
但研究人员也在探索通常与物理科学更密切的分析方法 ， 而不是单纯依靠微生物实验室 。
例如 ， 2018年 ， Idelevich设计了一种基于MALDI TOF的液体培养测试微型版本 。 MALDI TOF是一种质谱技术 ， 它使用激光诱导基质电离 ， 然后离子通过长“飞行管” ， 最后根据它们的质量和电荷来识别分子 。 Idelevich等将两种病原体（铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯氏菌）微滴培养物直接放于MALDI TOF的固体基质上 ， 并且每一个细菌微滴都用不同的药物处理 。 然后 ， 他们通过专门用于细菌鉴定的MALDI Biotyper对样本进行处理 。 特征谱峰的强度可以表明培养菌是否对抗生素敏感或耐药<2> 。
2013年 ， 意大利国家研究理事会的Giovanni Longo等发现 ， 当他们把致病性大肠杆菌加在悬臂（微型跳水板样结构）上 ， 使其暴露于抗生素 。 由于悬臂上附着的活细菌的微小运动 ， 悬臂会上下移动 。 如果微生物对抗生素敏感 ， 运动就会停止 。 在原子力显微镜下 ， 几分钟内就能看到这种运动 ， 这早于直接观察到微生物复制 ， 也意味着相比于检测细菌生长的方法 ， 此测试可以更快地识别活细菌