这种“光”技术出手,“白色瘟疫”患者可能有救了

作者: 刘阳

来源: 科学大院

发布日期: 2022-03-24 07:00:00

科学家发现一种新技术——拉曼光谱,可能在结核病治疗中发挥大作用。拉曼光谱可以反映细胞内所有物质的组成、增减等信息,进而刻画单个细胞的代谢活动,有望大幅提高结核菌耐药性检测的速度。

今天是“世界防治结核病日”,随着科技的进步,大家可能渐渐低估了结核病的可怕性。事实上,作为一种传染病,它在

全球单一传染病致死人数排行榜中,长期独霸榜首。

在抗生素耐药性日益严重的今天,人类面对多重耐药结核病,可选的“救命药”越来越少,结核病的防治也日益严峻。不过近日,科学家在研究中发现,

有一种新技术也许能在结核病治疗中发挥大作用,它就是拉曼光谱。

抗生素——人与结核病之战的短暂胜利

结核病是一种古老的慢性传染病,俗称“痨病”,它的足迹可追溯到距今7000年以上石器时代的人胸椎骨,以及距今2100年前马王堆汉墓埋葬的辛追夫人。

“白色瘟疫”、“十痨九死”……无不体现着结核病的恐怖。

1882年3月24日,德国科学家罗伯特·科赫首次发现,结核分枝杆菌(俗称结核杆菌)是结核病的病因。

1943年,链霉素的问世宣告第一种抗结核药物的诞生。此后,又出现了利福平、异烟肼、利奈唑胺等一系列药物,这些抗生素曾经拯救了无数人的生命,因此人们一度乐观地认为战胜了结核病。

然而,事实并非如此。据世界卫生组织(WHO)估算,全球结核病潜伏感染人群接近20亿。

WHO发布的《2021全球结核病报告》显示,2020年全球约990万人新发结核病,约150万人死于结核病。而我国2020年约有84.2万新增结核病患者,死亡人数估算为3.2万。

为什么会出现这种情况?

事实上,随着抗生素的广泛应用,在大量结核杆菌“尸体”下,由于具有较强的抗生素适应性,没有被彻底消灭的结核菌会“死灰复燃”,变异成更强大的耐药结核菌,即一种或者一种以上的抗结核药不能完全杀灭的结核菌。

由于缺少有效的药物控制,耐药结核菌会严重损毁患者双肺,进而导致呼吸困难、心脏衰竭,引发患者死亡。

耐药结核病治疗的两大难题:确诊与科学用药

耐药结核杆菌的确诊,传统方法需要采用细菌学手段,分为涂片镜检、培养、药敏检测等步骤。其中培养步骤主要是:通过创造适宜结核杆菌生长,且抑制其他微生物生长的环境来进行培养;同时药敏检测可测试患者感染的结核杆菌对哪些抗结核药物敏感,进而判断是否为耐药菌。但是该方法耗时较长,一般需要3~4周时间。

而目前临床的现实情况是,即使存在明显的结核病临床症状,仍有30%的患者无法通过传统方法检测出结核杆菌。

此外,患者确诊感染耐药结核菌后,需要通过检测其药敏性来制定对应的治疗方案,即哪类抗结核药物或者药物组合可以杀灭该耐药结核菌。但是传统药敏试验检测周期长、结果可靠性差,且抗结核药物的误用可能会导致新的耐药菌出现。

拉曼光谱——耐药菌的“精准雷达”

拉曼光谱是激光照射到物体表面而产生的散射光谱,它反映的是物质的固有性质。把物质分子看成不断运动的“小球”,入射光照到分子上会产生散射光,获得拉曼散射光谱。物质不同,内部“小球”及运动模式不同,产生的光谱图也会有区别。

科学家发现,拉曼光谱特别适合单个细胞体系的研究,它可以反映细胞内所有物质的组成、增减等信息,进而刻画单个细胞的代谢活动。那么我们如何将拉曼光谱用于结核病的治疗当中呢?

这就要提到“重水”。重水是由氘和氧组成,“氘”(元素符号:D)是一种特殊的氢原子,它比普通的氢原子(“氕”,元素符号:H)多了一个中子,不仅质量稍重,且与碳原子组成的化学键也存在细微不同。

细胞如果喝了“重水”,氘就会通过合成各种生物大分子(如蛋白质、脂质)而遍布细胞全身。

科学家发现,通过检测单个病原菌细胞喝了“重水”之后拉曼光谱的变化,能够监测细胞在某些抗生素处理下的代谢活性。如果在抗生素处理下,细胞代谢活性降低了,说明该抗生素适合杀灭该类病原菌。现有技术支持单细胞拉曼光谱的快速检测,因此基于拉曼光谱的病原菌耐药性检测有望跳过传统方法中结核菌的分离培养环节,可以大幅度提高检测速度。

拉曼光谱法可检测病原菌细胞经药物处理后的代谢活性,因其快速、无损、非标记、单细胞精度、全面刻画细胞状态等特点,有望突破细菌学检测中需分离培养的瓶颈,也展现了其在快速判别耐药结核菌、耐药机制探索方面存在的巨大潜力。

相信在不远的未来,拉曼光谱以及基于拉曼光谱的耐药检测技术将广泛服务于遏制耐药性蔓延的战斗中,为结核病的终结及人民群众的健康贡献力量。

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