Stanford-forskere udvikler en ny måde at identificere bakterier i væsker på: En innovativ tilpasning af teknologien i en gammel inkjetprinter Plus AI-assisteret billedbehandling fører til en hurtigere og billigere måde at spotte bakterier i blod, spildevand og mere

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Stanford-forskere udvikler en ny måde at identificere bakterier i væsker: En innovativ tilpasning af teknologien i en gammel inkjet-printer plus AI-assisteret billedbehandling fører til en hurtigere og billigere måde at spotte bakterier i blod, spildevand og mere

Detaljer om de trykte prikker på et guldbelagt objektglas (a), hvor falsk farve i nærbilledet af en enkelt prik viser røde blodkald i rødt og Staphylococcus epidermidis-bakterier i blåt. Forskerne printede også på et agarbelagt objektglas (b) for at vise, hvordan prikkerne klarer sig under inkubation. KREDIT
Fareeha Safir

Abstract:
Stryk en laser på en dråbe blod, slim eller spildevand, og lyset, der reflekteres tilbage, kan bruges til positivt at identificere bakterier i prøven.

Stanford-forskere udvikler en ny måde at identificere bakterier i væsker: En innovativ tilpasning af teknologien i en gammel inkjet-printer plus AI-assisteret billedbehandling fører til en hurtigere og billigere måde at spotte bakterier i blod, spildevand og mere

Stanford, CA | Udgivet den 3. marts 2023

"Vi kan ikke bare finde ud af, at bakterier er til stede, men specifikt hvilke bakterier der er i prøven - E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, miltbrand og mere," siger Jennifer Dionne, lektor i materialevidenskab og teknik og , ved hjælp af radiologi ved Stanford University. "Hver mikrobe har sit eget unikke optiske fingeraftryk. Det er ligesom den genetiske og proteomiske kode, der er skrevet i lyset."

Dionne er seniorforfatter til en ny undersøgelse i tidsskriftet Nano Letters, der beskriver en innovativ metode, hendes team har udviklet, der kan føre til hurtigere (næsten øjeblikkelige), billige og mere nøjagtige mikrobielle analyser af stort set enhver væske, man måtte ønske at teste for mikrober.

Traditionelle dyrkningsmetoder, der stadig er i brug i dag, kan tage timer, hvis ikke dage, at fuldføre. En tuberkulosekultur tager 40 dage, sagde Dionne. Den nye test kan udføres på få minutter og rummer løftet om bedre og hurtigere diagnoser af infektion, forbedret brug af antibiotika, sikrere fødevarer, forbedret miljøovervågning og hurtigere udvikling af lægemidler, siger teamet.

Gamle hunde, nye tricks
Gennembruddet er ikke, at bakterier viser disse spektrale fingeraftryk, et faktum, der har været kendt i årtier, men i, hvordan holdet har været i stand til at afsløre disse spektre midt i den blændende række af lys, der reflekteres fra hver prøve.

"Ikke kun viser hver type bakterie unikke mønstre af lys, men stort set alle andre molekyler eller celler i en given prøve gør også," sagde førsteforfatter Fareeha Safir, en ph.d.-studerende i Dionnes laboratorium. "Røde blodlegemer, hvide blodlegemer og andre komponenter i prøven sender deres egne signaler tilbage, hvilket gør det svært, hvis ikke umuligt, at skelne de mikrobielle mønstre fra støjen fra andre celler."

En milliliter blod - på størrelse med en regndråbe - kan indeholde milliarder af celler, hvoraf kun nogle få kan være mikrober. Holdet måtte finde en måde at adskille og forstærke lyset, der reflekterede fra bakterierne alene. For at gøre det vovede de sig langs adskillige overraskende videnskabelige tangenter og kombinerede en fire årtier gammel teknologi lånt fra computeren – inkjetprinteren – og to banebrydende teknologier i vor tid – nanopartikler og kunstig intelligens.

"Nøglen til at adskille bakteriespektre fra andre signaler er at isolere cellerne i ekstremt små prøver. Vi bruger principperne for inkjet-print til at udskrive tusindvis af bittesmå prikker af blod i stedet for at udspørge en enkelt stor prøve," forklarede medforfatter Butrus "Pierre" Khuri-Yakub, professor emeritus i elektroteknik ved Stanford, som hjalp med at udvikle den originale inkjet. printer i 1980'erne.

"Men du kan ikke bare få en inkjet-printer, der er tilgængelig, og tilføje blod eller spildevand," understregede Safir. For at omgå udfordringer med at håndtere biologiske prøver modificerede forskerne printeren til at sætte prøver på papir ved hjælp af akustiske impulser. Hver prik af trykt blod er så kun to billioner af en liter i volumen - mere end en milliard gange mindre end en regndråbe. I den skala er dråberne så små, at de kan rumme blot et par dusin celler.

Derudover infunderede forskerne prøverne med guld nanorods, der binder sig til bakterier, hvis de er til stede, og fungerer som antenner, der trækker laserlyset mod bakterierne og forstærker signalet omkring 1500 gange dets uforstærkede styrke. Behørigt isoleret og forstærket stikker bakteriespektrene ud som videnskabelige ømme tommelfingre.

Den sidste brik i puslespillet er brugen af maskinlæring til at sammenligne de adskillige spektre, der reflekteres fra hver udskrevne prik af væske for at få øje på de afslørende signaturer af enhver bakterie i prøven.

“Det er en innovativ løsning med potentiale for livreddende effekt. Vi er nu begejstrede for kommercialiseringsmuligheder, der kan hjælpe med at redefinere standarden for bakteriel detektion og enkeltcellekarakterisering,” sagde senior medforfatter Amr Saleh, en tidligere postdoktor i Dionnes laboratorium og nu professor ved Cairo University.

Katalysator for samarbejde
Denne form for tværfagligt samarbejde er et kendetegn for Stanford-traditionen, hvor eksperter fra tilsyneladende forskellige områder bringer deres varierende ekspertise til brug for at løse mangeårige udfordringer med samfundsmæssig indflydelse.

Denne særlige tilgang blev udklækket under et frokostmøde på en café på campus og var i 2017 blandt de første modtagere af en serie på $3 millioner tilskud fordelt af Stanfords Catalyst for Collaborative Solutions. Katalysatorbevillinger er specifikt rettet mod at inspirere tværfaglig risikotagning og samarbejde mellem Stanford-forskere inden for områder med høj belønning som sundhedspleje, miljø, autonomi og sikkerhed.

Selvom denne teknik blev skabt og perfektioneret ved hjælp af blodprøver, er Dionne lige så sikker på, at den kan anvendes på andre slags væsker og målceller ud over bakterier, såsom at teste drikkevand for renhed eller måske spotte vira hurtigere, mere præcist og ved lavere omkostninger end de nuværende metoder.

Yderligere Stanford-medforfattere inkluderer tidligere ph.d.-studerende Loza Tadesse; forskningspersonale Kamyar Firouzi; Niaz Banaei, professor i patologi og medicin ved School of Medicine; og Stefanie Jeffrey, John og Marva Warnock-professoren, Emerita, på School of Medicine. Nhat Vu fra Pumpkinseed Technologies er også medforfatter. Banaei, Dionne, Jeffrey og Khuri-Yakub er også medlemmer af Stanford Bio-X. Dionne er også senior associeret viceprovost for forskningsplatforme/delte faciliteter, medlem af Cardiovascular Institute og Wu Tsai Neurosciences Institute og en tilknyttet Precourt Institute for Energy. Jeffrey er også medlem af Stanford Cancer Institute. Khuri-Yakub er også medlem af Cardiovascular Institute, Stanford Cancer Institute og Wu Tsai Neurosciences Institute.

Denne forskning blev finansieret af Stanford Catalyst for Collaborative Solutions, Chan Zuckerberg Biohub Investigator Program, NIH-NCATS-CTSA, Gates Foundation, National Science Foundation, NIH New Innovator Award og fra startmidler fra Stanford Center for Innovation i global sundhed. En del af dette arbejde blev udført på Stanford Nano Shared Facilities (SNSF) og Soft & Hybrid Materials Facility (SMF), som er støttet af National Science Foundation og National Nanotechnology Coordinated Infrastructure.

####

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Jill Wu
Stanford University School of Engineering

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke: