![( a ) Schema van akoestisch printplatform en confocale Raman-opstelling. Druppeltjes met bacteriën (paars) en nanostaafjes (goud) gesuspendeerd in EDTA-oplossing worden akoestisch afgedrukt op een glasplaatje bedekt met 200 nm goud (zie ook aanvullende figuren 2-4). ( b ) Stroboscopische beelden van de tijdsevolutie van opwaartse druppeluitwerping bij ∼ 3,5 m / s vanuit een open zwembad bij een akoestische frequentie van 44,75 MHz en een herhalingsfrequentie van druppeluitwerping van 1 kHz. Beelden werden vastgelegd met een belichtingstijd van 40 ms, en als zodanig is elk frame samengesteld uit 40 druppelejecties, wat de uitwerpstabiliteit benadrukt. De schaalbalk is 100 μm (zie ook aanvullende figuur 2). (c) Grafiek van de druppeldiameter versus de resonantiefrequentie van de ultrasone transducer. Druppels werden geprint met 4,8, 17, 44,75 en 147 MHz en hadden druppeldiameters van respectievelijk 300, 84, 44 en 15 μm, wat de afstembaarheid van akoestische druppeluitwerping benadrukte. (zie ook aanvullende figuur 1). (d) Raman-spectra van gedroogde cellulaire monsters, waaronder S. epi, E. coli en rode bloedcellen (RBC's) op een met goud gecoat objectglaasje. Krediet: Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03015 Onderzoekers ontwikkelen een nieuwe manier om bacteriën in vloeistoffen te identificeren](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2023/researchers-develop-a-1.jpg)
( a ) Schema van akoestisch printplatform en confocale Raman-opstelling. Druppeltjes met bacteriën (paars) en nanostaafjes (goud) gesuspendeerd in EDTA-oplossing worden akoestisch afgedrukt op een glasplaatje bedekt met 200 nm goud (zie ook aanvullende figuren 2-4). ( b ) Stroboscopische beelden van de tijdsevolutie van opwaartse druppeluitwerping bij ∼ 3,5 m / s vanuit een open zwembad bij een akoestische frequentie van 44,75 MHz en een herhalingsfrequentie van druppeluitwerping van 1 kHz. Beelden werden vastgelegd met een belichtingstijd van 40 ms, en als zodanig is elk frame samengesteld uit 40 druppelejecties, wat de uitwerpstabiliteit benadrukt. De schaalbalk is 100 μm (zie ook aanvullende figuur 2). (c) Grafiek van de druppeldiameter versus de resonantiefrequentie van de ultrasone transducer. Druppels werden geprint met 4,8, 17, 44,75 en 147 MHz en hadden druppeldiameters van respectievelijk 300, 84, 44 en 15 μm, wat de afstembaarheid van akoestische druppeluitwerping benadrukte. (zie ook aanvullende figuur 1). ( d ) Raman-spectra van gedroogde cellulaire monsters, inclusief S.epi, E colien rode bloedcellen (RBC’s) op een met goud gecoat objectglaasje. Credit: Nano-brieven (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03015
Schijn met een laser op een druppel bloed, slijm of afvalwater en het teruggekaatste licht kan worden gebruikt om bacteriën in het monster positief te identificeren.
“We kunnen niet alleen ontdekken dat er bacteriën aanwezig zijn, maar specifiek welke bacteriën in het monster zitten – E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, miltvuur en meer”, zegt Jennifer Dionne, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering en , met dank, van radiologie aan Stanford University. “Elke microbe heeft zijn eigen unieke optische vingerafdruk. Het is alsof de genetische en proteomische code in licht is gekrabbeld.”
Dionne is senior auteur van een nieuwe studie in het tijdschrift Nano-brieven detaillering van een innovatieve methode die haar team heeft ontwikkeld die zou kunnen leiden tot snellere (bijna onmiddellijke), goedkope en nauwkeurigere microbiële assays van vrijwel elke vloeistof die men op microben zou willen testen.
Traditionele kweekmethoden die nog steeds in gebruik zijn, kunnen uren, zo niet dagen in beslag nemen. Een tuberculosecultuur duurt 40 dagen, zei Dionne. De nieuwe test kan binnen enkele minuten worden uitgevoerd en belooft betere en snellere diagnoses van infecties, verbeterd gebruik van antibiotica, veiliger voedsel, verbeterde milieumonitoring en snellere ontwikkeling van geneesmiddelen, aldus het team.
Oude honden, nieuwe trucs
De doorbraak is niet dat bacteriën deze spectrale vingerafdrukken vertonen, een feit dat al tientallen jaren bekend is, maar in hoe het team die spectra heeft kunnen onthullen te midden van de verblindende reeks lichtreflecties van elk monster.
“Niet alleen elk type bacterie vertoont unieke lichtpatronen, maar vrijwel elk ander molecuul of elke cel in een bepaald monster doet dat ook”, zegt eerste auteur Fareeha Safir, een Ph.D. student in het laboratorium van Dionne. “Rode bloedcellen, witte bloedcellen en andere componenten in het monster sturen hun eigen signalen terug, waardoor het moeilijk, zo niet onmogelijk wordt om de microbiële patronen te onderscheiden van de ruis van andere cellen.”
Een milliliter bloed – ongeveer zo groot als een regendruppel – kan miljarden cellen bevatten, waarvan er maar een paar microben kunnen zijn. Het team moest een manier vinden om het licht dat alleen door de bacteriën wordt gereflecteerd, te scheiden en te versterken. Om dat te doen, waagden ze zich langs verschillende verrassende wetenschappelijke raaklijnen, waarbij ze een vier decennia oude technologie, ontleend aan computers – de inkjetprinter – en twee geavanceerde technologieën van onze tijd – nanodeeltjes en kunstmatige intelligentie – combineerden.
“De sleutel tot het scheiden van bacteriële spectra van andere signalen is om de cellen in extreem kleine monsters te isoleren. We gebruiken de principes van inkjetprinten om duizenden kleine puntjes bloed af te drukken in plaats van een enkel groot monster te ondervragen”, legt co-auteur Butrus uit. ” Pierre” Khuri-Yakub, een emeritus hoogleraar elektrotechniek aan Stanford die in de jaren tachtig hielp bij de ontwikkeling van de originele inkjetprinter.
“Maar je kunt niet zomaar een kant-en-klare inkjetprinter kopen en bloed of afvalwater toevoegen”, benadrukte Safir. Om uitdagingen bij het hanteren van biologische monsters te omzeilen, hebben de onderzoekers de printer aangepast om monsters op papier te zetten met behulp van akoestische pulsen. Elke druppel gedrukt bloed is dan slechts twee biljoenste van een liter in volume – meer dan een miljard keer kleiner dan een regendruppel. Op die schaal zijn de druppeltjes zo klein dat ze slechts enkele tientallen cellen kunnen bevatten.
Bovendien doordrenkten de onderzoekers de monsters met gouden nanostaafjes die zich hechten aan bacteriën, indien aanwezig, en fungeren als antennes, waardoor het laserlicht naar de bacteriën wordt getrokken en het signaal zo’n 1500 keer wordt versterkt. Op de juiste manier geïsoleerd en versterkt, steken de bacteriële spectra eruit als wetenschappelijke zere duimen.
Het laatste stukje van de puzzel is het gebruik van machinaal leren om de verschillende spectra te vergelijken die door elke afgedrukte vloeistofvlek worden gereflecteerd om de veelbetekenende handtekeningen van bacteriën in het monster te herkennen.
“Het is een innovatieve oplossing met het potentieel voor levensreddende impact. We zijn nu verheugd over commercialiseringsmogelijkheden die kunnen helpen de standaard van bacteriële detectie en karakterisering van eencellige cellen opnieuw te definiëren”, zegt senior co-auteur Amr Saleh, een voormalig postdoctoraal wetenschapper in Dionne’s lab en nu een professor aan de Universiteit van Caïro.
Hoewel deze techniek is gemaakt en geperfectioneerd met behulp van bloedmonsters, heeft Dionne er evenveel vertrouwen in dat deze kan worden toegepast op andere soorten vloeistoffen en doelcellen dan alleen bacteriën, zoals het testen van drinkwater op zuiverheid of misschien sneller, nauwkeuriger en tegen lagere kosten virussen opsporen. kosten dan de huidige methodes.
Meer informatie:
Fareeha Safir et al, Acoustic Bioprinting combineren met AI-ondersteunde Raman-spectroscopie voor high-throughput identificatie van bacteriën in bloed, Nano-brieven (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03015
Tijdschrift informatie:
Nano-brieven
Aangeboden door Stanford University