ReviewEmerging Microtechnologies and Automated Systems for Rapid Bacterial Identification and Antibiotic Susceptibility Testing
Abstract
Rapid bacterial identification (ID) and antibiotic susceptibility testing (AST) are in great demand due to the rise of drug-resistant bacteria. Conventional culture-based AST methods suffer from a long turnaround time. By necessity, physicians often have to treat patients empirically with antibiotics, which has led to an inappropriate use of antibiotics, an elevated mortality rate and healthcare costs, and antibiotic resistance. Recent advances in miniaturization and automation provide promising solutions for rapid bacterial ID/AST profiling, which will potentially make a significant impact in the clinical management of infectious diseases and antibiotic stewardship in the coming years. In this review, we summarize and analyze representative emerging micro- and nanotechnologies, as well as automated systems for bacterial ID/AST, including both phenotypic (e.g., microfluidic-based bacterial culture, and digital imaging of single cells) and molecular (e.g., multiplex PCR, hybridization probes, nanoparticles, synthetic biology tools, mass spectrometry, and sequencing technologies) methods. We also discuss representative point-of-care (POC) systems that integrate sample processing, fluid handling, and detection for rapid bacterial ID/AST. Finally, we highlight major remaining challenges and discuss potential future endeavors toward improving clinical outcomes with rapid bacterial ID/AST technologies.
迅速な細菌同定および薬剤感受性試験のための新規のマイクロ工学および自動化システム
迅速な細菌同定(ID)および薬剤感受性試験(AST)には薬物耐性菌の増加により大きな需要がある。従来の培養に基づくAST法は長時間を要することが欠点である。必要に迫られて、医師は患者の治療を経験的に抗生剤で行わなければならないことが多く、これが抗生剤の不適切な使用、死亡率と医療費の増加、抗生剤に対する耐性に繋がってきている。小型化と自動化の最近の進歩により、迅速な細菌のID/ASTのプロファイリングのための有望な解決法が得られ、これは今後何年間も感染性疾患の臨床管理および抗生剤の管理責任に重大な影響を与える可能性がある。本レビューでは、代表的な新規のマイクロ技術ならびにナノ技術、および細菌のID/AST用の自動化システムの要約・解析を行うが、これには表現型による方法(例えば、マイクロ流体に基づく細菌培養、単一細胞のデジタル画像)および分子による方法(例えば、多重PCR、交雑プローブ、ナノ粒子、合成生物学ツール、質量分析法、シーケンシング技術)の両方が含まれる。サンプル処理、液体の取り扱い、迅速な細菌のID/AST用の検出を統合する代表的なポイント・オブ・ケア(POC)システムに関しても考察する。最後に、依然として残る重大な問題に注目し、迅速な細菌のID/AST技術を用いた臨床転帰の改善に向けた今後の試みの可能性を考察する。
신속한세균식별및항생제민감성테스트를위한새로운마이크로기술및자동화시스템
약물내성세균의증가로신속한세균식별(ID)및항생제민감성테스트(AST)의수요가증가하고있습니다. 기존의문화기반 AST 방법은처리시간이오래걸립니다. 필요에따라의사는종종항생제로경험적으로환자를치료해야하며, 그결과부적절한항생제사용, 사망률및의료비용상승, 항생제내성등으로이어집니다. 최근소형화및자동화기술의진보로인해신속한세균 ID/AST 프로파일링이가능한유수의솔루션들이제공되고있으며, 이는향후수년간감염성질환및
항생제스튜어드십의임상관리에잠재적으로큰영향을미칠것입니다. 이리뷰에서는표현형(예: 마이크로유체기반세균배양및단세포의디지털이미징) 및분자(예: 단세포의디지털이미징)를포함한세균 ID/AST에대한자동화시스템뿐만아니라대표적인신종마이크로및나노기술을요약하고분석합니다(예: 멀티플렉스 PCR, 이종교잡검사, 나노입자, 합성생물학도구, 질량분석및시퀀싱기술). 또한신속한세균 ID/AST에대한표본처리, 유체처리및탐지기능이통합된대표적인 POC(point-of-care) 시스템에대해논의합니다. 마지막으로남은주요과제를중점적으로살펴보고신속한세균 ID/AST 기술로임상결과를개선하기위한향후의진로에대해논의합니다.
新兴微技术和自动化系统用于快速细菌识别和药敏测试
由于耐药细菌的出现,快速细菌识别(ID)和药敏测试(AST)的需求迫在眉睫。传统的AST方法周转时间过长。在必要的情况下,医师可能出于经验主义常常直接对患者进行抗生素治疗,这会导致抗生素的不当使用、死亡率提高、医疗成本增加,同时提高细菌的耐药性。微技术和自动化领域的最新进展为快速细菌ID/AST提供了前景广阔的解决方案,可能为未来数年的 传染病和抗生素管制的临床管理带来意义深远的影响。在本综述中,我们总结并分析了有代表性的新兴微/纳米技术,以及细菌ID/ AST的自动化系统,包括表型(如微流基细菌培养和单细胞数字成像)和分子(如多重聚合酶链反应、杂交探针、纳米颗粒、合成生物学工具、质谱分析法以及测序技术)方法。我们还讨论了具有代表性的即时定点(POC)系统,可集成样本处理、流体控制和快速细菌ID/AST检测。最后,我们强调了未来面临的重大挑战,展望了通过快速细菌ID/AST技术改善临床结果的预期方向。