I ricercatori di Stanford sviluppano un nuovo modo per identificare i batteri nei fluidi: un adattamento innovativo della tecnologia in una vecchia stampante a getto d'inchiostro e l'imaging assistito dall'IA portano a un modo più rapido ed economico per individuare i batteri nel sangue, nelle acque reflue e altro

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Dettagli dei punti stampati su un vetrino rivestito d'oro (a) in cui la falsa colorazione in primo piano di un singolo punto mostra richiami di sangue rosso in rosso e batteri Staphylococcus epidermidis in blu. I ricercatori hanno anche stampato su un vetrino rivestito di agar (b) per mostrare come si comportano i punti durante l'incubazione. CREDITO
Fareeha Safir

Abstract:
Fai brillare un laser su una goccia di sangue, muco o acque reflue e la luce che si riflette può essere utilizzata per identificare positivamente i batteri nel campione.

I ricercatori di Stanford sviluppano un nuovo modo per identificare i batteri nei fluidi: un adattamento innovativo della tecnologia in una vecchia stampante a getto d'inchiostro più l'imaging assistito dall'intelligenza artificiale porta a un modo più rapido ed economico per individuare i batteri nel sangue, nelle acque reflue e altro

Stanford, CA | Pubblicato il 3 marzo 2023

"Possiamo scoprire non solo che i batteri sono presenti, ma in particolare quali batteri sono nel campione: E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, antrace e altro", ha affermato Jennifer Dionne, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria e , per gentile concessione, di radiologia presso la Stanford University. “Ogni microbo ha la sua impronta ottica unica. È come il codice genetico e proteomico scarabocchiato nella luce.

Dionne è autrice senior di un nuovo studio sulla rivista Nano Letters che descrive in dettaglio un metodo innovativo sviluppato dal suo team che potrebbe portare a analisi microbiche più rapide (quasi immediate), economiche e più accurate di praticamente qualsiasi fluido che si potrebbe voler testare per i microbi.

I metodi di coltura tradizionali ancora in uso oggi possono richiedere ore se non giorni per essere completati. Una cultura della tubercolosi richiede 40 giorni, ha detto Dionne. Il nuovo test può essere eseguito in pochi minuti e mantiene la promessa di diagnosi di infezione migliori e più rapide, uso migliore di antibiotici, alimenti più sicuri, monitoraggio ambientale potenziato e sviluppo di farmaci più rapido, afferma il team.

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La svolta non è che i batteri mostrano queste impronte digitali spettrali, un fatto noto da decenni, ma nel modo in cui il team è stato in grado di rivelare quegli spettri tra l'accecante schiera di luce riflessa da ciascun campione.

"Non solo ogni tipo di batterio mostra schemi di luce unici, ma anche praticamente ogni altra molecola o cellula in un dato campione", ha detto il primo autore Fareeha Safir, una studentessa di dottorato nel laboratorio di Dionne. "I globuli rossi, i globuli bianchi e altri componenti del campione inviano i propri segnali, rendendo difficile se non impossibile distinguere i modelli microbici dal rumore di altre cellule".

Un millilitro di sangue - delle dimensioni di una goccia di pioggia - può contenere miliardi di cellule, solo alcune delle quali potrebbero essere microbi. Il team ha dovuto trovare un modo per separare e amplificare la luce che si riflette solo dai batteri. Per fare ciò, si sono avventurati lungo diverse tangenti scientifiche sorprendenti, combinando una tecnologia vecchia di quattro decenni presa in prestito dall'informatica - la stampante a getto d'inchiostro - e due tecnologie all'avanguardia del nostro tempo - nanoparticelle e intelligenza artificiale.

“La chiave per separare gli spettri batterici da altri segnali è isolare le cellule in campioni estremamente piccoli. Usiamo i principi della stampa a getto d'inchiostro per stampare migliaia di minuscoli puntini di sangue invece di interrogare un singolo grande campione ", ha spiegato il coautore Butrus "Pierre" Khuri-Yakub, professore emerito di ingegneria elettrica a Stanford che ha contribuito a sviluppare l'originale getto d'inchiostro stampante negli anni '1980.

"Ma non puoi semplicemente ottenere una stampante a getto d'inchiostro standard e aggiungere sangue o acque reflue", ha sottolineato Safir. Per aggirare le sfide nella gestione dei campioni biologici, i ricercatori hanno modificato la stampante per mettere i campioni su carta utilizzando impulsi acustici. Ogni punto di sangue stampato ha quindi un volume di appena due trilionesimi di litro, più di un miliardo di volte più piccolo di una goccia di pioggia. A quella scala, le goccioline sono così piccole che possono contenere solo poche dozzine di cellule.

Inoltre, i ricercatori hanno infuso i campioni con nanotubi d'oro che si attaccano ai batteri, se presenti, e agiscono come antenne, attirando la luce laser verso i batteri e amplificando il segnale circa 1500 volte la sua forza non potenziata. Opportunamente isolati e amplificati, gli spettri batterici sporgono come pollice irritato scientifico.

L'ultimo pezzo del puzzle è l'uso dell'apprendimento automatico per confrontare i diversi spettri che si riflettono da ciascun punto di fluido stampato per individuare le firme rivelatrici di eventuali batteri nel campione.

“È una soluzione innovativa con un potenziale impatto salvavita. Ora siamo entusiasti delle opportunità di commercializzazione che possono aiutare a ridefinire lo standard di rilevamento batterico e caratterizzazione di una singola cellula", ha affermato il coautore senior Amr Saleh, ex studioso post-dottorato nel laboratorio di Dionne e ora professore all'Università del Cairo.

Catalizzatore per la collaborazione
Questo tipo di collaborazione interdisciplinare è un segno distintivo della tradizione di Stanford in cui esperti provenienti da campi apparentemente disparati mettono a disposizione le loro diverse competenze per risolvere sfide di lunga data con un impatto sociale.

Questo particolare approccio è nato durante una riunione all'ora di pranzo in un bar del campus e, nel 2017, è stato tra i primi destinatari di una serie di sovvenzioni da 3 milioni di dollari distribuite da Catalyst for Collaborative Solutions di Stanford. Le sovvenzioni Catalyst sono specificamente mirate a ispirare l'assunzione di rischi interdisciplinari e la collaborazione tra i ricercatori di Stanford in campi ad alto rendimento come l'assistenza sanitaria, l'ambiente, l'autonomia e la sicurezza.

Sebbene questa tecnica sia stata creata e perfezionata utilizzando campioni di sangue, Dionne è altrettanto fiduciosa che possa essere applicata ad altri tipi di fluidi e cellule bersaglio oltre ai batteri, come testare la purezza dell'acqua potabile o forse individuare i virus più velocemente, con maggiore precisione e a minor costo rispetto ai metodi attuali.

Altri coautori di Stanford includono l'ex studente di dottorato Loza Tadesse; personale di ricerca Kamyar Firouzi; Niaz Banaei, professore di patologia e di medicina presso la Facoltà di Medicina; e Stefanie Jeffrey, John e Marva Warnock Professor, Emerita, alla School of Medicine. Nhat Vu di Pumpkinseed Technologies è anche coautore. Anche Banaei, Dionne, Jeffrey e Khuri-Yakub sono membri di Stanford Bio-X. Dionne è anche vice rettore associato senior delle piattaforme di ricerca/strutture condivise, membro del Cardiovascular Institute e del Wu Tsai Neurosciences Institute e affiliato del Precourt Institute for Energy. Jeffrey è anche membro dello Stanford Cancer Institute. Khuri-Yakub è anche membro del Cardiovascular Institute, dello Stanford Cancer Institute e del Wu Tsai Neurosciences Institute.

Questa ricerca è stata finanziata dallo Stanford Catalyst for Collaborative Solutions, dal Chan Zuckerberg Biohub Investigator Program, dal NIH-NCATS-CTSA, dalla Gates Foundation, dalla National Science Foundation, dal NIH New Innovator Award e dai fondi iniziali dello Stanford Center for Innovazione nella salute globale. Parte di questo lavoro è stato svolto presso la Stanford Nano Shared Facilities (SNSF) e la Soft & Hybrid Materials Facility (SMF), che sono supportate dalla National Science Foundation e dalla National Nanotechnology Coordinated Infrastructure.

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Contatti:
Jill Wu
Scuola di ingegneria della Stanford University

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