Culture- and PCR-Free Femtomolar Detection of Antibiotic Resistance Genes in Clinical Urine via Cascaded Molecular Machines and Electrokinetic Enrichment

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作者
Hanren Chen,Bihong Diao,Xiumei Hu,Jiayi Xiao,Lihong Liu
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:97 (49): 27308-27315
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c05344
摘要

The rapid detection of antibiotic resistance genes (ARGs) is crucial for guiding precise antibiotic therapy and preventing the spread of resistant pathogens. Here, we report a triple-signal amplified biosensor that integrates cascaded molecular machines with on-chip electrokinetic accumulation (CMMEA-Chip) for direct femtomolar-level detection of carbapenemase genes in clinical urine. In this system, the target ARGs first activate a DNAzyme via strand displacement, leading to the release of a key strand (KS). The released KS subsequently triggers a DNA walker (DW) on gold nanoparticles, which autonomously cleaves the FAM-labeled substrate strands to generate fluorescent signals. Liberated fluorophores are further electrokinetically trapped in a three-channel microfluidic chip, completing a triple-amplification process. This method achieves detection limits of 0.89, 0.82, and 0.90 fM for Klebsiella pneumoniae carbapenemase (KPC), New Delhi metallo-β-lactamase (NDM), and oxacillinase-48 (OXA-48) genes, respectively, and exhibits excellent concordance with quantitative PCR (qPCR), with an area under the curve (AUC) of 1.000 (95% CI: 1.000–1.000), sensitivity, and specificity of 100%. The platform’s clinical utility is further highlighted by its rapid 55 min analysis time and low cost of $0.43 per test. In summary, the CMMEA-Chip offers a culture- and polymerase chain reaction (PCR)-free, highly sensitive, and cost-effective strategy for rapid ARG detection with strong potential for application in primary healthcare settings.
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