一张试纸、一个App，即可快速检测耐药菌及其抗生素敏感性。日前，南京工业大学柔性电子(未来技术)学院李林教授、吴琼副教授指导，博士研究生姬文辉等同学负责的项目“荧光纸基智能检测系统：包‘知’百菌”在第三届江苏省大学生生物医学工程创新设计竞赛中荣获一等奖，团队指导教师李林教授、吴琼副教授获优秀指导教师称号，南京工业大学获优秀组织奖。
在使用抗生素之前，如何经济、快速、有效地鉴别耐药菌及其抗生素敏感性，对合理使用抗生素、控制耐药菌程度、缩短治疗时间、提高病人生存率都起着至关重要的作用。“我们在前期的研究过程中发现随着β-内酰胺类抗生素的滥用，细菌耐药性变得越来越强，而这有可能会导致临床手术中无药可用，直接危及患者的生命。”吴琼介绍说，细菌产生耐药性的重要原因是β-内酰胺酶的过表达，这种酶可在抗生素与细菌作用之前，水解抗生素的β-内酰胺四元环，破坏抗生素原有结构从而导致其失去药物活性。”基于此，他们课题组十余年来一直聚焦“生物医学光子学”的多学科交叉研究，致力于开发疾病“全面预防-快速诊断-精准治疗”的化学-材料-光学-生物-医学融合的系统策略。
在国家积极推进健康中国建设的大背景下，该项目研究意义重大。“目前β-内酰胺类抗生素耐药菌常用的检测方法主要有四种：微生物检测法、聚合酶链反应(PCR)法、质谱检测法和基于β-内酰胺酶的显色法。这些方法存在一定的弊端，例如检测步骤繁琐、成本高、依赖于大型检测设备及专业人员等等。”团队负责人姬文辉同学介绍，因此，他们研发出了基于“化学+AI”的智能检测系统，检测时只需将检测原液滴加在预先固定了小分子荧光探针的试纸上，试纸感受光学信号的变化后，通过智能算法的手机APP处理手机拍照的相片，计算出荧光信号强度，快速得到β-内酰胺酶浓度。该系统操作简便，无需专业技能和昂贵的大型仪器，只需在智能手机安装APP即可完成检测，检测时间不超过20分钟。
吴琼老师介绍道，如果说抗生素结构中的β-内酰胺四元环是一扇门，那么我们设计的荧光探针就是专一开启这扇门的指纹钥匙。当探针遇到β-内酰胺四元环，会立刻结合并改变自身结构，释放荧光信号。在这一设计原理的指导下，结合课题组在柔性荧光纸基器件领域的大量探索和积累。“我们结合人工智能的AI+技术，设计了一种性能优异、检测迅速、具有全时域环境适应特性的小分子荧光探针，同时建立了云端测试数据库，构建AI智能分析测试系统，这个系统有助于在不同复杂环境(如温度、湿度、测试溶剂、pH与实验室条件不同的环境中)对生物标志物进行监控，实现不稳定条件下稳定的测试，对于治疗和手术的成功率有着重要的作用，具有成本低、操作简单、检测时间短、特异性高、全时域应用等优点，弥补了目前β-内酰胺酶传统检测方法中的一些弊端。”
“随着人们生活水平的提高，获取各类抗生素的方式越来越简单，使得抗生素使用量急剧增加，与此同时也加速了细菌耐药性的进化。”李林教授介绍道，过量的使用抗生素加剧了细菌的耐药性的传播。这些原因都造成了由耐药菌引发疾病的人群日趋庞大，无法治愈的几率日益增加，“我们研究的快速适应性智能荧光纸基设备能够解决目前野外、紧急手术等复杂环境中耐药菌的快速简便的问题。接下来，我们在柔性生物电子器件设计方面将持续发力，为解决更多的实际健康医学问题提供南工方案。”
据悉，本届竞赛设有生物医学材料组、生物医学传感组、医学图像与人工智能组和生物力学与康复工程组4个组别，全省共有21所高校171支团队参赛。经过激励的角逐，54支团队进入决赛答辩，大赛共有16项作品获评一等奖。
