- 南京工業(yè)大學(xué)：南工大學(xué)生團(tuán)隊(duì)研發(fā)“化學(xué)+AI”檢測(cè)系統(tǒng)
- 發(fā)布日期：2022-07-06
一張?jiān)嚰垺⒁粋€(gè)App，即可快速檢測(cè)耐藥菌及其抗生素敏感性。日前，南京工業(yè)大學(xué)柔性電子（未來(lái)技術(shù)）學(xué)院李林教授、吳瓊副教授指導(dǎo)，博士研究生姬文輝等同學(xué)負(fù)責(zé)的項(xiàng)目“熒光紙基智能檢測(cè)系統(tǒng)：包‘知’百菌”在第三屆江蘇省大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽中榮獲一等獎(jiǎng)，團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師李林教授、吳瓊副教授獲優(yōu)秀指導(dǎo)教師稱號(hào)，南京工業(yè)大學(xué)獲優(yōu)秀組織獎(jiǎng)。
在使用抗生素之前，如何經(jīng)濟(jì)、快速、有效地鑒別耐藥菌及其抗生素敏感性，對(duì)合理使用抗生素、控制耐藥菌程度、縮短治療時(shí)間、提高病人生存率都起著至關(guān)重要的作用。“我們?cè)谇捌诘难芯窟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著β-內(nèi)酰胺類抗生素的濫用，細(xì)菌耐藥性變得越來(lái)越強(qiáng)，而這有可能會(huì)導(dǎo)致臨床手術(shù)中無(wú)藥可用，直接危及患者的生命。”吳瓊介紹，細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性的重要原因是β-內(nèi)酰胺酶的過(guò)表達(dá)，這種酶可在抗生素與細(xì)菌作用之前，水解抗生素的β-內(nèi)酰胺四元環(huán)，破壞抗生素原有結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致其失去藥物活性。”基于此，課題組十余年來(lái)一直聚焦“生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)”的多學(xué)科交叉研究，致力于開(kāi)發(fā)疾病“全面預(yù)防-快速診斷-精準(zhǔn)治療”的化學(xué)-材料-光學(xué)-生物-醫(yī)學(xué)融合的系統(tǒng)策略。
在國(guó)家積極推進(jìn)健康中國(guó)建設(shè)的大背景下，該項(xiàng)目研究意義重大。“目前β-內(nèi)酰胺類抗生素耐藥菌常用的檢測(cè)方法主要有四種：微生物檢測(cè)法、聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）法、質(zhì)譜檢測(cè)法和基于β-內(nèi)酰胺酶的顯色法。這些方法存在一定的弊端，例如檢測(cè)步驟繁瑣、成本高、依賴于大型檢測(cè)設(shè)備及專業(yè)人員等等。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人姬文輝介紹，因此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了基于“化學(xué)+AI”的智能檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)時(shí)只需將檢測(cè)原液滴加在預(yù)先固定了小分子熒光探針的試紙上，試紙感受光學(xué)信號(hào)的變化后，通過(guò)智能算法的手機(jī)APP處理手機(jī)拍照的相片，計(jì)算出熒光信號(hào)強(qiáng)度，快速得到β-內(nèi)酰胺酶濃度。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，無(wú)需專業(yè)技能和昂貴的大型儀器，只需在智能手機(jī)安裝APP即可完成檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間不超過(guò)20分鐘。
吳瓊介紹，如果說(shuō)抗生素結(jié)構(gòu)中的β-內(nèi)酰胺四元環(huán)是一扇門，那么團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的熒光探針就是專一開(kāi)啟這扇門的指紋鑰匙。當(dāng)探針遇到β-內(nèi)酰胺四元環(huán)，會(huì)立刻結(jié)合并改變自身結(jié)構(gòu)，釋放熒光信號(hào)。在這一設(shè)計(jì)原理的指導(dǎo)下，結(jié)合課題組在柔性熒光紙基器件領(lǐng)域的大量探索和積累。“我們結(jié)合人工智能的AI+技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)異、檢測(cè)迅速、具有全時(shí)域環(huán)境適應(yīng)特性的小分子熒光探針，同時(shí)建立了云端測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建AI智能分析測(cè)試系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)有助于在不同復(fù)雜環(huán)境（如溫度、濕度、測(cè)試溶劑、pH與實(shí)驗(yàn)室條件不同的環(huán)境中）對(duì)生物標(biāo)志物進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定條件下穩(wěn)定的測(cè)試，對(duì)于治療和手術(shù)的成功率有著重要的作用，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短、特異性高、全時(shí)域應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了目前β-內(nèi)酰胺酶?jìng)鹘y(tǒng)檢測(cè)方法中的一些弊端。”
“隨著人們生活水平的提高，獲取各類抗生素的方式越來(lái)越簡(jiǎn)單，使得抗生素使用量急劇增加，與此同時(shí)也加速了細(xì)菌耐藥性的進(jìn)化。”李林介紹，過(guò)量的使用抗生素加劇了細(xì)菌的耐藥性的傳播。這些原因都造成了由耐藥菌引發(fā)疾病的人群日趨龐大，無(wú)法治愈的幾率日益增加，“我們研究的快速適應(yīng)性智能熒光紙基設(shè)備能夠解決目前野外、緊急手術(shù)等復(fù)雜環(huán)境中耐藥菌的快速簡(jiǎn)便的問(wèn)題。接下來(lái)，我們?cè)谌嵝陨镫娮悠骷O(shè)計(jì)方面將持續(xù)發(fā)力，為解決更多的實(shí)際健康醫(yī)學(xué)問(wèn)題提供南工方案。”
據(jù)悉，本屆競(jìng)賽設(shè)有生物醫(yī)學(xué)材料組、生物醫(yī)學(xué)傳感組、醫(yī)學(xué)圖像與人工智能組和生物力學(xué)與康復(fù)工程組4個(gè)組別，全省共有21所高校171支團(tuán)隊(duì)參賽。經(jīng)過(guò)激勵(lì)的角逐，54支團(tuán)隊(duì)進(jìn)入決賽答辯，大賽共有16項(xiàng)作品獲評(píng)一等獎(jiǎng)。
