一種基礎良好的微流控裝置使研究人員能夠生成重要數(shù)據(jù)，以便更好地了解影響細菌進化以對抗抗生素耐藥性的參數(shù)。

隨著耐藥性在世界范圍內(nèi)蔓延，抗生素變得越來越無效，這使得治療可預防的感染變得越來越困難。除了發(fā)現(xiàn)能夠殺死耐藥菌的新抗生素（盡管根據(jù)世界衛(wèi)生組織的說法“這條管道正在枯竭”），了解細菌如何產(chǎn)生耐藥性以及導致“超級細菌”產(chǎn)生的原因在我們的研究中同樣重要。努力避免這場全球危機。

在最近發(fā)表在Small的一項研究中，由卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 的 Kersten Rabe 博士領導的一組研究人員開發(fā)了一種微流體裝置，使他們能夠監(jiān)測抗生素耐藥性超級細菌由于暴露而導致的細菌進化到不同水平的抗生素。

“我們想開發(fā)和測試一種微流控芯片，在這種芯片中，細胞可以在規(guī)定的化學和物理、準靜態(tài)條件下長時間培養(yǎng)，并研究這些條件對突變發(fā)生和選擇的影響，”說拉貝。

近年來，對微流體設備及其模擬生物系統(tǒng)能力的研究呈爆炸式增長，提供了具有驚人功能的廉價而強大的平臺，例如模擬器官、模擬疾病和測試新藥效果的能力，這可能是一種更比動物模型更有效的策略。

“微流體設備使用微型結構，其中液體和氣體在規(guī)定的流量下移動，”拉貝解釋說。“例如，這允許非常明確的混合。此外，由于尺寸小，體積小，因此可以精確調(diào)整反應參數(shù)，例如溫度。”

在他們的論文中，作者說，雖然微型流體芯片系統(tǒng)在微生物系統(tǒng)分析中獲得了動力，但產(chǎn)生壓力源（如抗生素）的空間定義梯度的能力仍然有限，并且在大多數(shù)情況下，不允許研究人員對細菌進行長期實驗。結果，他們可能無法發(fā)現(xiàn)通常只有在長期培養(yǎng)后才會表現(xiàn)出來的適應性。

在微流體裝置中，壓力源梯度通常垂直于系統(tǒng)的流體流動方向（圖 a、b），并且必須操縱細胞從低壓力區(qū)域到高壓力區(qū)域的運動，例如，通過營養(yǎng)物質(zhì)的排列：低營養(yǎng)物質(zhì)在低壓力區(qū)域和高壓力區(qū)域高營養(yǎng)以吸引細胞進行篩選。適應或抵抗的細胞將進入高壓力區(qū)域，使研究人員能夠?qū)ζ溥M行分析。但這是有問題的，因為適應的細胞可能永遠不會到達可能發(fā)生選擇的芯片的高應力區(qū)域。

這就是 Rabe 和他的團隊試圖通過使用一系列微孔并沿流動方向建立壓力梯度的新設置來克服的（圖 c）。流動力將細胞帶到含有高濃度壓力源的區(qū)域，并抵消高壓力區(qū)域可能的逃避。

“例如，當細菌受到壓力時，當它們在有毒抗生素存在的情況下生長時，許多細胞就會死亡，”拉貝說。“然而，由于細胞的遺傳信息因突變而不斷變化，因此也可以創(chuàng)建不再受抗生素嚴重影響并存活下來的細胞。我們開發(fā)的芯片可以優(yōu)先選擇和培養(yǎng)此類細胞。

“此外，我們的芯片不僅允許細菌在溶液中生長 [并且不受表面約束]，而且還允許在芯片中使用小孔讓細菌在大群落中生長，”他補充道。“這種‘生物膜’在自然界中非常普遍，可以在耐藥細菌的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。”

基于良好的芯片使團隊能夠更好地模擬自然微環(huán)境，例如在廢水系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的微環(huán)境，將細菌暴露于促進細菌復雜變化的特定壓力源，現(xiàn)在可以更詳細地研究這些壓力源。