Quantum Design-新闻中心-同一菌群为何表现不同？高分辨化学成像显微镜把分析单元推进到单个细菌

同一菌群为何表现不同？高分辨化学成像显微镜把分析单元推进到单个细菌

发布日期：2026-11-10

同一菌群中的细胞，并不总是处于相同状态。真正影响研究结论的，可能正是那些被平均值掩盖的细胞差异、局部区域或代谢变化：哪些细胞正在代谢？生物膜不同深度的细胞如何响应抗生素？同一物种的不同菌株能否被区分？

传统FTIR的空间分辨率仅10~20 μm，远大于单个细菌的尺寸，所获得的光谱本质上是群体平均信号。高分辨化学成像显微镜mIRage所基于的光学光热红外（O-PTIR）技术，以可见光探测红外吸收诱发的光热效应，将空间分辨率推进至亚微米尺度（~500 nm） ，在保持传统红外光谱化学特异性的同时，为无荧光标记、非破坏性的单细胞化学成像提供了技术路径。这一分辨率跃迁不是量的微调，而是将微生物红外分析的分析单元从“菌落/群体”重置为“单个细胞”。

图1. 高分辨化学成像显微镜 mIRage

mIRage的特有优势：

亚微米空间分辨的红外光谱和成像（~500 nm）；
与透射模式相媲美的反射模式下的图谱效果；
非接触测量模式—使用简单快捷，无交叉污染风险；
很少或无需样品制备过程(无需薄片), 可测试厚样品；
可透射模式下观察溶液中的样品；
实现同时同地相同分辨率的IR和Raman测试；
荧光显微成像实现荧光标记样品快速定位。

O-PTIR光谱测试原理

一、单细胞代谢异质性与同位素追踪：看见“同一菌群中的不同个体”

微生物群落中最关键的生物学信息，往往存在于细胞之间的代谢差异之中。mIRage在这一方向的贡献，是将稳定同位素探测（SIP）从群体水平推进到单细胞代谢表型水平。

图2. 不同同位素标记大肠杆菌的红外特征峰变化

如图2所示，利物浦大学Goodacre团队的工作具有奠基意义。研究者利用mIRage在单细胞水平追踪了大肠杆菌对氘（D）、¹³C、¹⁵N和¹⁸O的掺入，发现¹³C和氘的掺入信号在孵育仅30分钟后即可被可靠检出，并突破性的在单细胞O-PTIR光谱中识别出此前未见报道的C-D振动新峰。这意味着mIRage不仅可以判断“细胞是否代谢了某种底物”，还具备了追踪代谢动力学的时间分辨能力。该团队进一步将O-PTIR与¹³C/¹⁵N双标记结合，在成像与单点模式下同时检测了单个大肠杆菌细胞中的同位素掺入。

图3. 展示了九种牙周细菌在单细胞水平下的 O-PTIR 光谱数据（指纹区：950–1800 cm⁻¹）的 PCA 得分图

在方法学边界上，2025年一项针对牙周致病菌的研究在mIRage上采集了每个样本点最多55个单细胞的指纹区光谱（950—1800 cm⁻¹），系统展示了O-PTIR在单细胞水平区分微生物群落成员的可行性，mIRage既可以对群体进行红外分析，更是传统群体红外检测无法触及的单细胞异质性问题的专属工具。

mIRage的价值不只于“更灵敏地测到同位素”，而在于在保留空间位置信息的前提下，逐个细胞地读出代谢活性。

二、机器学习驱动的株级鉴定：从“种”推进到“株”的分辨极限

红外光谱用于微生物鉴定并非新事，但传统方法在株水平（strain level）上的分辨力长期不足，而株级差异恰恰是益生菌功能评价、病原体溯源和微生物质量控制中最具实际意义的分类层级。mIRage提供的单细胞光谱质量，结合机器学习，使这一瓶颈出现了松动的迹象。

图4. 13种乳酸杆菌的红外光谱图

如上图所示，法国勃艮第大学团队2026年发表的一项工作使用mIRage LS O-PTIR系统采集了13株乳酸菌（涵盖植物乳杆菌、戊糖乳杆菌、发酵乳杆菌、干酪/副干酪乳杆菌和嗜热链球菌）的单细胞光谱，训练全连接神经网络，在物种水平上达到97%的macro F1分数，在株水平上仍保持91%。这一数字的意义需要放在比较框架中理解：16S rRNA测序和MALDI-TOF在株级分辨上经常力有不逮，而mIRage的单细胞O-PTIR光谱在无需培养扩增、无需标记的条件下提供了可用的株级判别信号。作者明确将应用场景指向微生物质量控制、益生菌筛选和微生物生态学。

三、生物膜的空间代谢梯度与抗生素响应：把“深度”变成可测量的化学变量

生物膜的核心特征之一，是其内部存在空间分层的代谢异质性与耐药异质性：中心区域因氧和营养限制而代谢活性低下，外层细胞则活跃增殖，这种梯度直接决定了抗生素能否有效清除生物膜。传统方法要么破坏空间结构（如批量裂解），要么缺乏化学特异性（如单纯荧光活性染色）。mIRage的亚微米化学成像能力，使在不破坏生物膜结构的前提下直接读出不同深度的代谢状态成为可能。

图5. 沙门氏菌生物膜不同深度的红外表征与化学成像

2026年发表于 Communications Biology 的工作是这一方向的标志性进展。研究者将O-PTIR成像与¹³C-SIP及冷冻切片结合，追踪沙门氏菌生物膜不同深度的碳代谢，以~500 nm空间分辨率可视化了生物膜内部的碳代谢梯度：中心呈现低代谢活性核心，外周区域代谢活性显著更高。更进一步，在庆大霉素耐药沙门氏菌生物膜暴露于不同抗生素后，O-PTIR成像揭示了随深度变化的代谢响应模式，且该模式依赖于菌株的抗生素敏感性谱。这意味着mIRage不仅能看到生物膜“哪里在代谢”，还能看到“抗生素干预后，哪一深度的代谢被改变了、改变了多少”。

在植入物相关感染、慢性伤口感染和导管相关血流感染等临床场景中，生物膜的空间代谢信息对于理解持留菌（persister）的形成与抗生素失效机制具有直接相关性，而高分辨化学成像显微镜mIRage是目前少数能够在亚微米尺度上同时提供化学信息与空间信息的无标记手段之一。

四、耐药性的单细胞快速表型检测

抗菌药物耐药性（AMR）的临床诊断困境在于时间：传统培养药敏试验需要数十小时，而经验性广谱用药恰恰是耐药性演化的驱动力之一。mIRage提供了一条不依赖培养扩增、不依赖遗传型检测的表型路径。

图6. 对不同同位素标记的敏感/耐药株红外光谱分析

Shams等人（2023，Frontiers in Microbiology）突破性将O-PTIR与氘同位素探测（DIP）结合，在单细胞和群体两个水平上检测尿路致病性大肠杆菌（UPEC）对甲氧苄啶的耐药性。其原理简洁有力：敏感菌在抗生素压力下氘掺入受抑制，耐药菌则维持代谢活性；O-PTIR通过C-D特征峰（2,163 cm⁻¹）的单频成像，直接可视化了敏感株与耐药株在药物暴露后氘掺入能力的差异，PC-DFA分析在单细胞水平实现了敏感/耐药分离株的清晰聚类。这一策略的时间优势来自氘标记的快速动力学——前述Goodacre团队的工作已证明，同位素信号在30分钟内即可检测。

与基因组学方法不同，mIRage读出的是活菌在药物压力下的实际代谢表型，这一信息与临床结局的关联可能比耐药基因型更为直接。

总结

微生物红外光谱分析受限于红外衍射极限，空间分辨率仅10~20μm，远大于单个细菌尺寸，所得光谱本质上是群体平均信号。mIRage所基于的光学光热红外（O-PTIR）技术改变了这一局面：以可见光探测红外吸收诱发的光热效应，将空间分辨率推进至约500 nm，在保留红外化学特异性的同时，使无标记、非破坏性的单细胞化学成像成为常规能力。对微生物研究而言，这意味着红外分析的基本单元从“菌落/群体”下沉到“单个细菌”，可直接读出细胞间的代谢异质性。单个完整细菌在真实生理状态下的化学表型。对于持留菌、异质性耐药、生物膜空间耐受和株水平功能差异等“平均值解释不了”的问题，该技术提供了平均值以下的那一层信息，为微生物功能解析与临床快检提供了新的工具路径。

mIRage多领域应用：

1. 环境微塑料