Stanfordin tutkijat kehittävät uuden tavan tunnistaa bakteereja nesteissä: Vanhan mustesuihkutulostimen tekniikan innovatiivinen mukautus Plus tekoälyavusteinen kuvantaminen johtaa nopeampaan ja halvempaan tapaan havaita bakteereja verestä, jätevedestä ja muusta

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Etusivu > lehdistö > Stanfordin tutkijat kehittävät uuden tavan tunnistaa bakteereja nesteissä: vanhan mustesuihkutulostimen tekniikan innovatiivinen mukautus sekä tekoälyavusteinen kuvantaminen johtavat nopeampaan ja halvempaan tapaan havaita bakteereja verestä, jätevedestä ja muusta

Yksityiskohdat painetuista pisteistä kullalla päällystetyllä dialla (a), jossa väärä väritys yksittäisen pisteen lähikuvassa näyttää punaisia verikutsuja punaisena ja Staphylococcus epidermidis -bakteeria sinisenä. Tutkijat myös tulostivat agar-pinnoitetulle dialle (b) näyttääkseen, kuinka pisteet pärjäävät inkuboinnin aikana. LUOTTO
Fareeha Safir

Tiivistelmä:
Kiillota laserilla veri-, lima- tai jätevesipisara, jolloin takaisin heijastuvaa valoa voidaan käyttää bakteerien tunnistamiseen näytteestä.

Stanfordin tutkijat kehittävät uuden tavan tunnistaa bakteereja nesteissä: vanhan mustesuihkutulostimen tekniikan innovatiivinen mukautus sekä tekoälyavusteinen kuvantaminen johtavat nopeampaan ja halvempaan tapaan havaita bakteereja verestä, jätevedestä ja muusta.

Stanford, CA | Julkaistu 3. maaliskuuta 2023

"Voimme selvittää bakteerien esiintymisen lisäksi erityisesti, mitä bakteereja näytteessä on - E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, pernarutto ja paljon muuta", sanoi Jennifer Dionne, materiaalitieteen ja -tekniikan apulaisprofessori. , kohteliaasti, radiologia Stanfordin yliopistossa. ”Jokaisella mikrobilla on oma ainutlaatuinen optinen sormenjäljensä. Se on kuin valoon kirjoitettu geneettinen ja proteominen koodi."

Dionne on vanhempi kirjoittaja uudessa Nano Letters -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa, jossa kerrotaan hänen tiiminsä kehittämästä innovatiivisesta menetelmästä, joka voi johtaa nopeampiin (melkein välittömiin), halvempiin ja tarkempiin mikrobimäärityksiin käytännöllisesti katsoen kaikista nesteistä, joita halutaan testata mikrobien varalta.

Vielä nykyäänkin käytössä olevien perinteisten viljelymenetelmien valmistuminen voi kestää tunteja ellei päiviä. Tuberkuloosiviljely kestää 40 päivää, Dionne sanoi. Uusi testi voidaan tehdä muutamassa minuutissa, ja se lupaa paremmat ja nopeammat infektiodiagnoosit, parempaa antibioottien käyttöä, turvallisempia elintarvikkeita, tehostettua ympäristön seurantaa ja nopeampaa lääkekehitystä, tiimi sanoo.

Vanhat koirat, uudet temput
Läpimurto ei ole se, että bakteerit näyttävät näitä spektrisiä sormenjälkiä, mikä on ollut tiedossa vuosikymmeniä, vaan siinä, kuinka ryhmä on pystynyt paljastamaan nämä spektrit kustakin näytteestä heijastuvan sokaisevan valon keskellä.

"Ei vain jokainen bakteerityyppi esitä ainutlaatuisia valokuvioita, vaan myös käytännössä jokainen muu molekyyli tai solu tietyssä näytteessä", sanoi ensimmäinen kirjoittaja Fareeha Safir, tohtoriopiskelija Dionnen laboratoriosta. "Punasolut, valkosolut ja muut näytteen komponentit lähettävät takaisin omia signaalejaan, mikä tekee mikrobikuvioiden erottamisesta muiden solujen melusta vaikeaa, ellei mahdotonta."

Millilitrassa verta – noin sadepisaran kokoinen – voi sisältää miljardeja soluja, joista vain muutama saattaa olla mikrobeja. Ryhmän piti löytää tapa erottaa ja vahvistaa pelkästään bakteereista heijastuva valo. Tätä varten he käyttivät useita yllättäviä tieteellisiä tangentteja yhdistämällä neljä vuosikymmentä vanhan tietojenkäsittelystä lainatun tekniikan – mustesuihkutulostimen – ja kaksi aikamme huipputeknologiaa – nanohiukkaset ja tekoälyn.

”Avain bakteerispektrien erottamiseen muista signaaleista on eristää solut erittäin pieninä näytteinä. Käytämme mustesuihkutulostuksen periaatteita tulostaaksemme tuhansia pieniä veripisteitä sen sijaan, että tutkisimme yhtä suurta näytettä", selitti toinen kirjoittaja Butrus "Pierre" Khuri-Yakub, Stanfordin sähkötekniikan emeritusprofessori, joka auttoi kehittämään alkuperäisen mustesuihkutulostimen. tulostin 1980-luvulla.

"Mutta et voi vain hankkia mustesuihkutulostinta ja lisätä verta tai jätevettä", Safir korosti. Biologisten näytteiden käsittelyyn liittyvien haasteiden kiertämiseksi tutkijat muokkasivat tulostinta siten, että ne asettivat näytteitä paperille akustisten pulssien avulla. Jokainen painetun veren piste on tällöin tilavuudeltaan vain kaksi biljoonaosaa litrasta – yli miljardi kertaa pienempi kuin sadepisara. Tässä mittakaavassa pisarat ovat niin pieniä, että niihin mahtuu vain muutama tusina solua.

Lisäksi tutkijat infusoivat näytteisiin kultaisia nanosauvoja, jotka kiinnittyvät bakteereihin, jos niitä on, ja toimivat kuten antennit, jotka vetävät laservaloa kohti bakteereja ja vahvistavat signaalia noin 1500-kertaisesti tehostamattomaan voimakkuuteen nähden. Asianmukaisesti eristettynä ja vahvistettuna bakteerispektrit työntyvät esiin kuin tieteelliset peukalot.

Palapelin viimeinen osa on koneoppimisen käyttö, jossa jokaisesta painetusta nestepisteestä heijastuvia spektrejä verrataan, jotta voidaan havaita näytteessä olevien bakteerien ilmaisimet.

”Se on innovatiivinen ratkaisu, jolla voi olla hengenpelastusvaikutus. Olemme nyt innoissamme kaupallistamismahdollisuuksista, jotka voivat auttaa määrittelemään uudelleen bakteerien havaitsemisen ja yksisolujen karakterisoinnin standardin", sanoi vanhempi toinen kirjoittaja Amr Saleh, entinen tohtoritutkija Dionnen laboratoriossa ja nyt professori Kairon yliopistossa.

Yhteistyön katalysaattori
Tällainen poikkitieteellinen yhteistyö on tunnusomaista Stanfordin perinteelle, jossa näennäisesti eri alojen asiantuntijat tuovat vaihtelevaa asiantuntemustaan ratkaistakseen pitkäaikaisia, yhteiskunnallisesti vaikuttavia haasteita.

Tämä erityinen lähestymistapa syntyi lounasaikakokouksen aikana kampuksen kahvilassa, ja vuonna 2017 se oli ensimmäisten joukossa Stanfordin Catalyst for Collaborative Solutions -ohjelman jakaman 3 miljoonan dollarin apurahojen saajia. Catalyst-apurahat on erityisesti suunnattu inspiroimaan tieteidenvälistä riskinottoa ja yhteistyötä Stanfordin tutkijoiden välillä korkeapalkkaisilla aloilla, kuten terveydenhuolto, ympäristö, autonomia ja turvallisuus.

Vaikka tämä tekniikka luotiin ja kehitettiin käyttämällä verinäytteitä, Dionne on yhtä varma siitä, että sitä voidaan soveltaa muihin nesteisiin ja kohdesoluihin bakteerien lisäksi, kuten juomaveden puhtauden testaamiseen tai virusten havaitsemiseen nopeammin, tarkemmin ja alhaisemmalla tasolla. nykymenetelmiä edullisemmin.

Muita Stanfordin kirjoittajia ovat entinen tohtoriopiskelija Loza Tadesse; tutkimushenkilöstö Kamyar Firouzi; Niaz Banaei, patologian ja lääketieteen professori lääketieteellisestä korkeakoulusta; ja Stefanie Jeffrey, John and Marva Warnock -professori, emerita, lääketieteen korkeakoulussa. Pumpkinseed Technologiesin Nhat Vu on myös toinen kirjoittaja. Banaei, Dionne, Jeffrey ja Khuri-Yakub ovat myös Stanford Bio-X:n jäseniä. Dionne on myös tutkimusalustojen/jaettujen tilojen vanhempi varaprosasti, Cardiovascular Instituten ja Wu Tsai Neurosciences Instituten jäsen sekä Precourt Institute for Energyn tytäryhtiö. Jeffrey on myös Stanfordin syöpäinstituutin jäsen. Khuri-Yakub on myös Cardiovascular Instituten, Stanford Cancer Instituten ja Wu Tsai Neurosciences Instituten jäsen.

Tätä tutkimusta rahoittivat Stanford Catalyst for Collaborative Solutions, Chan Zuckerberg Biohub Investigator Program, NIH-NCATS-CTSA, Gates Foundation, National Science Foundation, NIH New Innovator Award sekä Stanford Centerin siemenvaroista. Innovaatioita maailmanlaajuisessa terveydenhuollossa. Osa tästä työstä suoritettiin Stanfordin Nano Shared Facilitiesissa (SNSF) ja Soft & Hybrid Materials Facilityssä (SMF), joita tukevat National Science Foundation ja National Nanotechnology Coordinated Infrastructure.

####

Saat lisätietoja napsauttamalla tätä

Yhteydet:
Jill Wu
Stanfordin yliopiston teknillinen korkeakoulu

Tekijänoikeus © Stanford University School of Engineering

Jos sinulla on kommentteja, kiitos Ota yhteyttä meille.

Lehdistötiedotteiden liikkeeseenlaskijat, eivät 7th Wave, Inc. tai Nanotechnology Now, ovat yksin vastuussa sisällön oikeellisuudesta.

Kirjanmerkki: