Stanford-forskere utvikler en ny måte å identifisere bakterier i væsker på: En innovativ tilpasning av teknologien i en gammel blekkskriver pluss AI-assistert bildebehandling fører til en raskere, billigere måte å oppdage bakterier i blod, avløpsvann og mer

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjemprodukt > Press > Stanford-forskere utvikler en ny måte å identifisere bakterier i væsker: En innovativ tilpasning av teknologien i en gammel blekkskriver pluss AI-assistert bildebehandling fører til en raskere og billigere måte å oppdage bakterier i blod, avløpsvann og mer

Detaljer om de trykte prikkene på et gullbelagt lysbilde (a) der falsk farge i nærbildet av en enkelt prikk viser røde blodanrop i rødt og Staphylococcus epidermidis-bakterier i blått. Forskerne trykket også på et agarbelagt lysbilde (b) for å vise hvordan prikkene klarer seg under inkubasjon. KREDITT
Fareeha Safir

Abstrakt:
Sett en laser på en dråpe blod, slim eller avløpsvann, og lyset som reflekteres tilbake kan brukes til å identifisere bakterier i prøven positivt.

Stanford-forskere utvikler en ny måte å identifisere bakterier i væsker: En innovativ tilpasning av teknologien i en gammel blekkskriver pluss AI-assistert bildebehandling fører til en raskere og billigere måte å oppdage bakterier i blod, avløpsvann og mer

Stanford, CA | Lagt ut 3. mars 2023

"Vi kan finne ut ikke bare at bakterier er tilstede, men spesifikt hvilke bakterier som er i prøven - E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, miltbrann og mer," sa Jennifer Dionne, en førsteamanuensis i materialvitenskap og ingeniørfag og , ved hjelp av radiologi ved Stanford University. "Hver mikrobe har sitt eget unike optiske fingeravtrykk. Det er som den genetiske og proteomiske koden skrevet i lys.»

Dionne er seniorforfatter av en ny studie i tidsskriftet Nano Letters som beskriver en innovativ metode som teamet hennes har utviklet som kan føre til raskere (nesten umiddelbare), rimelige og mer nøyaktige mikrobielle analyser av praktisk talt hvilken som helst væske man måtte ønske å teste for mikrober.

Tradisjonelle dyrkingsmetoder som fortsatt er i bruk i dag kan ta timer om ikke dager å fullføre. En tuberkulosekultur tar 40 dager, sa Dionne. Den nye testen kan gjøres på få minutter og har løftet om bedre og raskere infeksjonsdiagnoser, forbedret bruk av antibiotika, tryggere mat, forbedret miljøovervåking og raskere medikamentutvikling, sier teamet.

Gamle hunder, nye triks
Gjennombruddet er ikke at bakterier viser disse spektrale fingeravtrykkene, et faktum som har vært kjent i flere tiår, men i hvordan teamet har vært i stand til å avsløre disse spektrene midt i det blendende lyset som reflekteres fra hver prøve.

"Ikke bare viser hver type bakterie unike lysmønstre, men praktisk talt alle andre molekyler eller celler i en gitt prøve gjør det også," sa førsteforfatter Fareeha Safir, en doktorgradsstudent ved Dionnes laboratorium. "Røde blodlegemer, hvite blodlegemer og andre komponenter i prøven sender tilbake sine egne signaler, noe som gjør det vanskelig om ikke umulig å skille mikrobielle mønstre fra støy fra andre celler."

En milliliter blod – omtrent på størrelse med en regndråpe – kan inneholde milliarder av celler, bare noen få av dem kan være mikrober. Teamet måtte finne en måte å skille og forsterke lyset som reflekteres fra bakteriene alene. For å gjøre det, våget de seg langs flere overraskende vitenskapelige tangenter, og kombinerte en fire tiår gammel teknologi lånt fra databehandling – blekkskriveren – og to banebrytende teknologier i vår tid – nanopartikler og kunstig intelligens.

"Nøkkelen til å skille bakteriespektra fra andre signaler er å isolere cellene i ekstremt små prøver. Vi bruker prinsippene for blekkskriving til å skrive ut tusenvis av bittesmå blodprikker i stedet for å spørre ut en eneste stor prøve," forklarte medforfatter Butrus "Pierre" Khuri-Yakub, professor emeritus i elektroteknikk ved Stanford som hjalp til med å utvikle den originale blekkskriveren. skriver på 1980-tallet.

"Men du kan ikke bare få en hyllevare blekkskriver og tilsette blod eller avløpsvann," understreket Safir. For å omgå utfordringer med å håndtere biologiske prøver, modifiserte forskerne skriveren for å sette prøver på papir ved hjelp av akustiske pulser. Hver prikk med trykt blod er da bare to trillioner av en liter i volum – mer enn en milliard ganger mindre enn en regndråpe. I den skalaen er dråpene så små at de kan inneholde bare noen få dusin celler.

I tillegg tilførte forskerne prøvene med gullnanorods som fester seg til bakterier, hvis de er til stede, og fungerer som antenner, trekker laserlyset mot bakteriene og forsterker signalet rundt 1500 ganger dets uforsterkede styrke. Passende isolert og forsterket, stikker bakteriespektra ut som vitenskapelige såre tomler.

Den siste brikken i puslespillet er bruken av maskinlæring for å sammenligne de mange spektrene som reflekteres fra hver trykt væskeprikk for å oppdage de avslørende signaturene til alle bakterier i prøven.

"Det er en innovativ løsning med potensial for livreddende effekt. Vi er nå begeistret for kommersialiseringsmuligheter som kan bidra til å redefinere standarden for bakteriell deteksjon og enkeltcellekarakterisering, sier senior medforfatter Amr Saleh, en tidligere postdoktor i Dionnes laboratorium og nå professor ved Cairo University.

Katalysator for samarbeid
Denne typen tverrfaglig samarbeid er et kjennetegn på Stanford-tradisjonen der eksperter fra tilsynelatende ulike felt tar med sin varierende ekspertise for å løse langvarige utfordringer med samfunnsmessig innvirkning.

Denne spesielle tilnærmingen ble klekket ut under et lunsjmøte på en kafé på campus og var i 2017 blant de første mottakerne av en serie på $3 millioner tilskudd distribuert av Stanfords Catalyst for Collaborative Solutions. Katalysatorstipend er spesifikt rettet mot å inspirere tverrfaglig risikotaking og samarbeid mellom Stanford-forskere innen høybelønnede felt som helsevesen, miljø, autonomi og sikkerhet.

Selv om denne teknikken ble skapt og perfeksjonert ved hjelp av blodprøver, er Dionne like sikker på at den kan brukes på andre typer væsker og målceller utover bakterier, som å teste drikkevann for renhet eller kanskje oppdage virus raskere, mer nøyaktig og på lavere nivå. kostnad enn dagens metoder.

Ytterligere Stanford-medforfattere inkluderer tidligere PhD-student Loza Tadesse; forskningspersonell Kamyar Firouzi; Niaz Banaei, professor i patologi og medisin ved School of Medicine; og Stefanie Jeffrey, John og Marva Warnock-professoren, emerita, ved School of Medicine. Nhat Vu fra Pumpkinseed Technologies er også medforfatter. Banaei, Dionne, Jeffrey og Khuri-Yakub er også medlemmer av Stanford Bio-X. Dionne er også senior assisterende viseprovost for forskningsplattformer/delte fasiliteter, medlem av Cardiovascular Institute og Wu Tsai Neurosciences Institute, og en tilknyttet Precourt Institute for Energy. Jeffrey er også medlem av Stanford Cancer Institute. Khuri-Yakub er også medlem av Cardiovascular Institute, Stanford Cancer Institute og Wu Tsai Neurosciences Institute.

Denne forskningen ble finansiert av 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 Innovasjon i global helse. En del av dette arbeidet ble utført ved Stanford Nano Shared Facilities (SNSF) og Soft & Hybrid Materials Facility (SMF), som er støttet av National Science Foundation og National Nanotechnology Coordinated Infrastructure.

####

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Jill Wu
Stanford University School of Engineering

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke: