Richten Sie einen Laser auf einen Tropfen Blut, Schleim oder Abwasser, und das zurückreflektierte Licht kann verwendet werden, um Bakterien in der Probe eindeutig zu identifizieren.
„Wir können nicht nur herausfinden, ob Bakterien vorhanden sind, sondern auch, welche Bakterien in der Probe enthalten sind – E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, Anthrax und mehr“, sagte Jennifer Dionne, außerordentliche Professorin für Materialwissenschaft und -technik und , mit freundlicher Genehmigung, der Radiologie an der Stanford University. „Jede Mikrobe hat ihren eigenen einzigartigen optischen Fingerabdruck. Es ist wie der genetische und proteomische Code, der in Licht gekritzelt wird.“
Dionne ist leitende Autorin einer neuen Studie in der Zeitschrift Nano-Buchstaben Sie beschreibt eine innovative Methode, die ihr Team entwickelt hat und die zu schnelleren (fast sofortigen), kostengünstigen und genaueren mikrobiellen Assays von praktisch jeder Flüssigkeit führen könnte, die man auf Mikroben testen möchte.
Traditionelle Kultivierungsmethoden, die heute noch verwendet werden, können Stunden, wenn nicht Tage dauern, bis sie abgeschlossen sind. Eine Tuberkulose-Kultur dauert 40 Tage, sagte Dionne. Der neue Test kann in wenigen Minuten durchgeführt werden und verspricht bessere und schnellere Diagnosen von Infektionen, einen verbesserten Einsatz von Antibiotika, sicherere Lebensmittel, eine verbesserte Umweltüberwachung und eine schnellere Arzneimittelentwicklung, sagt das Team.
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Der Durchbruch liegt nicht darin, dass Bakterien diese spektralen Fingerabdrücke zeigen, eine Tatsache, die seit Jahrzehnten bekannt ist, sondern darin, wie das Team diese Spektren inmitten des blendenden Lichts, das von jeder Probe reflektiert wird, sichtbar machen konnte.
„Nicht nur jede Art von Bakterium zeigt einzigartige Lichtmuster, sondern praktisch jedes andere Molekül oder jede andere Zelle in einer bestimmten Probe auch“, sagte Erstautorin Fareeha Safir, Ph.D. Student in Dionnes Labor. „Rote Blutkörperchen, weiße Blutkörperchen und andere Komponenten in der Probe senden ihre eigenen Signale zurück, was es schwierig, wenn nicht unmöglich macht, die mikrobiellen Muster vom Rauschen anderer Zellen zu unterscheiden.“
Ein Milliliter Blut – etwa so groß wie ein Regentropfen – kann Milliarden von Zellen enthalten, von denen nur wenige Mikroben sein könnten. Das Team musste einen Weg finden, nur das von den Bakterien reflektierte Licht zu trennen und zu verstärken. Dazu wagten sie sich entlang mehrerer überraschender wissenschaftlicher Tangenten, indem sie eine vier Jahrzehnte alte Technologie aus der Computertechnik – den Tintenstrahldrucker – und zwei Spitzentechnologien unserer Zeit – Nanopartikel und künstliche Intelligenz – kombinierten.
„Der Schlüssel zur Trennung von Bakterienspektren von anderen Signalen besteht darin, die Zellen in extrem kleinen Proben zu isolieren. Wir verwenden die Prinzipien des Tintenstrahldrucks, um Tausende winziger Blutpunkte zu drucken, anstatt eine einzelne große Probe zu untersuchen“, erklärt Co-Autor Butrus. Pierre“ Khuri-Yakub, ein emeritierter Professor für Elektrotechnik in Stanford, der in den 1980er Jahren an der Entwicklung des ursprünglichen Tintenstrahldruckers mitgewirkt hat.
„Aber man kann sich nicht einfach einen Tintenstrahldrucker von der Stange besorgen und Blut oder Abwasser hinzufügen“, betonte Safir. Um Herausforderungen beim Umgang mit biologischen Proben zu umgehen, modifizierten die Forscher den Drucker, um Proben mit akustischen Impulsen zu Papier zu bringen. Jeder gedruckte Blutpunkt hat dann nur noch ein Volumen von zwei Billionstel Litern – mehr als eine Milliarde Mal kleiner als ein Regentropfen. In dieser Größenordnung sind die Tröpfchen so klein, dass sie nur ein paar Dutzend Zellen enthalten können.
Darüber hinaus infundierten die Forscher die Proben mit Gold-Nanostäbchen, die sich, falls vorhanden, an Bakterien anheften und wie Antennen wirken, das Laserlicht auf die Bakterien lenken und das Signal um das etwa 1500-fache seiner unverstärkten Stärke verstärken. Entsprechend isoliert und verstärkt stechen die Bakterienspektren hervor wie wissenschaftliche Daumennagel.
Das letzte Teil des Puzzles ist die Verwendung von maschinellem Lernen, um die verschiedenen Spektren zu vergleichen, die von jedem gedruckten Flüssigkeitspunkt reflektiert werden, um die verräterischen Signaturen von Bakterien in der Probe zu erkennen.
„Es ist eine innovative Lösung mit dem Potenzial für lebensrettende Wirkungen. Wir freuen uns jetzt über Kommerzialisierungsmöglichkeiten, die dazu beitragen können, den Standard des Bakteriennachweises und der Einzelzellcharakterisierung neu zu definieren“, sagte Senior Co-Autor Amr Saleh, ein ehemaliger Postdoktorand in Dionnes Labor und jetzt Professor an der Universität Kairo.
Während diese Technik unter Verwendung von Blutproben entwickelt und perfektioniert wurde, ist Dionne ebenso zuversichtlich, dass sie neben Bakterien auch auf andere Arten von Flüssigkeiten und Zielzellen angewendet werden kann, z. B. um Trinkwasser auf Reinheit zu testen oder vielleicht Viren schneller, genauer und kostengünstiger zu erkennen Kosten als gegenwärtige Methoden.
Mehr Informationen:
Fareeha Safir et al, Kombination von akustischem Bioprinting mit KI-unterstützter Raman-Spektroskopie zur Hochdurchsatz-Identifizierung von Bakterien im Blut, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03015