新型醫療設備：基於智能手機進行細菌耐藥性測試

導讀

讓昂貴笨重的醫療實驗裝置，變得低成本且便攜，一直我們關注全球創新智慧的一個方向。加州大學洛杉磯分校的團隊開發了一種自動化診斷測試閱讀器，可以使用智能手機讀取細菌耐藥性的值。這項技術可以在資源受限（偏遠落後，貧困地區）地區，展開細菌敏耐藥性檢測。

（圖片來源於: Aydogan Ozcan/加州大學洛杉磯分校）

耐葯細菌對於全球公共衛生的威脅

抗菌藥物，可以殺滅細菌，治療人類相關感染。然而與此同時，細菌也會產生對於抗菌藥物的抵抗作用，保護自身不受到威脅，這種抵抗作用被稱為「細菌耐藥性」，具有耐藥性能力的細菌就被稱為「耐葯細菌」。

然而，耐葯細菌對於全球公共衛生構成了嚴峻威脅。特別是，它們會變成更加普遍的細菌性病原體，造成高死亡率的疾病例如肺炎、腹瀉和膿毒症。所以，對於這種細菌防治方面的研究變得很重要且急迫。

落後地區成為細菌耐藥性測試的瓶頸

然而，人類從未停止過與這類細菌的傳播作鬥爭，特別實在醫療領域。可是，這種鬥爭的一部分的挑戰來源於落後地區，那些地區缺少實驗室、測試設備，難以開展耐藥性測試，以及訓練能夠讀取測試結果的技術人員。

加州大學的研究成為這方面的突破

加州大學洛杉磯分校的研究人員開發了一種簡單廉價的智能手機附件設備，可以進行自動化的細菌耐藥性測試。研究人員將這項研究成果發表於自然出版集團下屬的《科學報告》雜誌上。

(a) 目前的測試方法，由診斷專家手動在光源下檢查測試板，來分辨作為細菌生產跡象的濁度。這個方案使用鏡子查看測試板。 (b) 新型系統，可以讓未經培訓的實驗室技術人員查看診斷板，只需要為每個板拍攝三張照片，然後使用應用程序將照片上傳至本地或者遠程伺服器，進行自動處理並獲取相關診斷結果。(c) 特寫的鏡像圖片。B1, C1, D1, B6, B7, H11具有濁度。(d) 新系統獲取的同一個測試板的圖像。每個孔的濁度可以根據每個孔的透光度自動確定。 （圖片來源於: Aydogan Ozcan/加州大學洛杉磯分校）

加州大學洛杉磯分校亨利·薩繆理工程和應用科學學院，電氣和生物工程專業的首席教授 Aydogan Ozcan，對於研究是如此評價的：

「這項研究是十分重要且及時的。耐藥性細菌越來越成為全球性威脅，我們許多的一線抗生素對它們是無效的。然而我們的新技術基於智能手機，可以將實驗室級別的測試，帶向更廣泛的應用，特別是在那些資源受限地區。」

設備的組成和測試方法

實驗設備具有可用於測試的96孔板，連接到智能手機上。然後，它通過一組LED燈照射樣本，不同的孔中含有不同劑量的抗生素，手機的攝像頭會感知到每個孔中的光線傳播的細微變化。

(a) 設備由定製化設計的硬體附件和諾基亞Lumia 1020智能手機組成，使用LED陣列通過擴散器照射96孔板，光線通過光纖束傳輸到相關的小區域，手機內置的攝像頭通過添加的聚焦透鏡對其進行拍照。(b) 設備俯視圖 (c) 設備側面視圖（圖片來源於: Aydogan Ozcan/加州大學洛杉磯分校）

接著，圖像會被送到伺服器端，進行自動化的耐藥性測試，測試結果會在1分鐘左右返回給智能手機。

使用定製化的手機應用程序，在不同的曝光時間下拍攝的三張測試板樣本的圖片，被上傳至本地或者遠程伺服器，自動化的演算法使用藍色通道查找亮度最大的曝光圖片，提取出孔的平均亮度。曝光情況下的三個孔的亮度和測量的亮度的最大化動態範圍結合，根據從空白板控制孔獲取的最大化的透明度，進行標準化處理。這些孔的亮度閾值，通過上傳的測試板的資料庫決定，從而決定每個藥物的最低抑制濃度和敏感性。研究結果和上傳的圖像存儲在伺服器端，也會發送給客戶端應用程序供用戶查看。（圖片來源於: Aydogan Ozcan/加州大學洛杉磯分校）

相關實驗和臨床意義

研究人員在加州大學洛杉磯分校臨床條件下測試了該設備。他們使用的特殊測試板，可針對針對肺炎克雷伯菌17種不同的抗生素以及具有高度耐藥性的細菌。在臨床測試期間，他們使用了78份來自病人的樣本。測試結果顯示：這種基於手機的閱讀器，能夠滿足美國食品和藥物管理局定義的實驗室測試標準，檢測精度達到98.2%。

科學家使用最低濃度的抗生素阻止細菌增長，追蹤它的耐藥性。同時，他們將為每個細菌/藥物的組合，制定抗生素敏感或耐葯的標準，指導醫生進行醫療決策。相關結果表示，受到耐藥性細菌感染的病人，應該及時對於治療情況作出應對，因為耐藥性生物不會受到正常劑量的藥物控制。

研究的意義

研究人員認為，這種手機閱讀器可以減少對於專業醫生進行耐藥性測試的依賴，同時降低常規測試的門檻，協助全球的細菌耐藥性調查。

另外，這項技術還有一項優勢，就是能夠及時檢測出細菌在藥物條件下的增長狀況，比目前能夠測量的時間點（給葯24小時後）要早，這樣可以讓醫生更早只知道結果，從而挽救生命。

目前，對於實驗室醫療設備進行小型化、便攜化、低成本化、易操作化的處理，同設備和物聯網等新興技術結合，是一個重要的創新發展趨勢。之前，我也介紹過幾款相關產品。所以，讓醫療設備"走出"醫院實驗室，對於提高醫療的效果和效率，將醫療設備普及到醫療資源落後的地區，都有著十分重要的意義。

參考資料

【1】http://phys.org/news/2016-12-combat-antimicrobial-resistance-smartphones.html

【2】Steve Feng et al. High-throughput and automated diagnosis of antimicrobial resistance using a cost-effective cellphone-based micro-plate reader, Scientific Reports (2016). DOI: 10.1038/srep39203

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