Идентификация патогенов в сложных образцах, таких как кровь, моча и сточные воды, имеет решающее значение для выявления инфекции и оптимального лечения.
"Мы можем узнать не только о наличии бактерий, но и о том, какие именно бактерии находятся в образце - E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella и другие. У каждого микроба есть свой уникальный оптический отпечаток пальца. Это как генетический и протеомный код, начертанный светом", - говорит Дженнифер Дионн, доцент кафедры материаловедения и инженерии, Стэнфордский университет. Дионн является старшим автором нового исследования, опубликованного в журнале Nano Letters, где подробно описывается инновационный метод, разработанный ее командой, который может привести к более быстрому (почти мгновенному), недорогому и точному анализу практически любого вида образца жидкости на наличие микроорганизмов.
Традиционные методы культивирования, используемые и сегодня, могут занимать несколько часов, а то и дней. Так, культивирование возбудителя туберкулеза занимает около 40 дней. Новый тест может быть выполнен за несколько минут и обещает улучшить и ускорить диагностику инфекций, улучшить использование антибиотиков, повысить безопасность продуктов питания, улучшить мониторинг окружающей среды и ускорить разработку лекарственных препаратов.
Прорыв заключается не в том, что бактерии демонстрируют эти спектральные отпечатки пальцев - этот факт известен уже несколько десятилетий, - а в том, как авторы смогли выявить эти спектры. Рамановская спектроскопия с поверхностным усилением (SERS) и машинное обучение позволяют различать несколько видов патогенов, но обработка сложных образцов жидкости для чувствительного и специфического обнаружения патогенов остается нерешенной задачей. "Не только каждый вид бактерий демонстрирует уникальные световые паттерны, но и практически все другие молекулы или клетки в данном образце", - комментирует Дионн. "Эритроциты, лейкоциты и другие компоненты в образце посылают свои собственные сигналы, что делает трудным, если не невозможным, отличить микробные паттерны от других клеток".
Исследователи должны были найти способ отделить и усилить свет, отражающийся только от бактерий. Для этого они пошли по нескольким неожиданным научным направлениям, объединив технологию четырехдесятилетней давности, заимствованную из компьютерной техники, - струйный принтер - и две передовые технологии нашего времени - наночастицы и искусственный интеллект.
"Ключом к отделению бактериальных спектров от других сигналов является изоляция клеток в чрезвычайно маленьких образцах (объемах). Мы используем принципы струйной печати, чтобы напечатать тысячи крошечных точек крови вместо того, чтобы исследовать один большой образец", - объясняет Дионн. "Но вы не можете просто взять готовый струйный принтер и добавить в него образец крови или сточной воды".
Чтобы обойти проблемы, связанные с обработкой биологических образцов, исследователи модифицировали принтер, чтобы наносить образцы на бумагу с помощью акустических импульсов. Каждая точка напечатанной крови имеет объем всего 2 пиколитра (2 триллионные доли литра), что более чем в миллиард раз меньше капли дождя. При таком масштабе капли настолько малы, что могут содержать всего несколько десятков клеток. Кроме того, исследователи добавили в образцы золотые наночастицы, которые прикрепляются к бактериям, если они присутствуют, и действуют как антенны, направляя лазерное излучение на бактерии и усиливая сигнал примерно в 1500 раз по сравнению с тем, что было без усиления. Соответствующим образом изолированные и усиленные, бактериальные спектры можно определить. Последний кусочек головоломки - использование машинного обучения для сравнения нескольких спектров, отражающихся от каждой напечатанной точки жидкости, чтобы обнаружить характерные признаки бактерий в образце.
"Мы обучили модель машинного обучения и достигли ≥99% точности классификации чистых образцов и ≥87% точности классификации смешанных образцов. Мы также добились ≥90% точности классификации капель с соотношением патогенов и клеток крови <1. Наша комбинированная платформа для биопечати и SERS может ускорить быстрое и чувствительное обнаружение патогенов в клинических, экологических и промышленных условиях", - рассказала Дионн.
"Наша работа по интеграции клеточного исследования SERS с акустическим биопринтингом и машинным обучением прокладывает путь к надежной и недорогой экспресс-диагностике.
