Naukowcy ze Stanford opracowują nowy sposób identyfikacji bakterii w płynach: innowacyjna adaptacja technologii w starej drukarce atramentowej oraz obrazowanie wspomagane sztuczną inteligencją prowadzi do szybszego i tańszego sposobu wykrywania bakterii we krwi, ściekach i nie tylko

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Strona główna > Naciśnij przycisk > Naukowcy ze Stanford opracowują nowy sposób identyfikacji bakterii w płynach: innowacyjna adaptacja technologii w starej drukarce atramentowej oraz obrazowanie wspomagane sztuczną inteligencją prowadzi do szybszego i tańszego sposobu wykrywania bakterii we krwi, ściekach i nie tylko

Szczegóły wydrukowanych kropek na pokrytym złotem szkiełku (a), gdzie fałszywe zabarwienie w zbliżeniu pojedynczej kropki przedstawia krwinki czerwone na czerwono, a bakterie Staphylococcus epidermidis na niebiesko. Naukowcy wydrukowali również na szkiełku pokrytym agarem (b), aby pokazać, jak kropki radzą sobie podczas inkubacji. KREDYT
Fareeha Safir

Abstrakcyjny:
Wystarczy poświecić laserem na kroplę krwi, śluzu lub ścieków, a odbite światło można wykorzystać do pozytywnej identyfikacji bakterii w próbce.

Naukowcy ze Stanford opracowują nowy sposób identyfikacji bakterii w płynach: innowacyjna adaptacja technologii w starej drukarce atramentowej oraz obrazowanie wspomagane sztuczną inteligencją prowadzi do szybszego i tańszego sposobu wykrywania bakterii we krwi, ściekach i nie tylko

Stanford, Kalifornia | Opublikowano 3 marca 2023 r

„Możemy dowiedzieć się nie tylko, czy bakterie są obecne, ale konkretnie, które bakterie znajdują się w próbce – E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, wąglik i inne” – powiedziała Jennifer Dionne, profesor nadzwyczajny inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej. dzięki uprzejmości radiologii na Uniwersytecie Stanforda. „Każdy mikrob ma swój własny, unikalny optyczny odcisk palca. To jak kod genetyczny i proteomiczny zapisany światłem”.

Dionne jest starszym autorem nowego badania w czasopiśmie Nano Letters, w którym szczegółowo opisano innowacyjną metodę opracowaną przez jej zespół, która może prowadzić do szybszych (prawie natychmiastowych), niedrogich i dokładniejszych testów mikrobiologicznych praktycznie każdego płynu, który można chcieć przetestować pod kątem drobnoustrojów.

Tradycyjne metody hodowli, które są nadal w użyciu, mogą zająć godziny, jeśli nie dni. Hodowla gruźlicy trwa 40 dni, powiedziała Dionne. Nowy test można wykonać w ciągu kilku minut i obiecuje lepsze i szybsze diagnozowanie infekcji, lepsze stosowanie antybiotyków, bezpieczniejszą żywność, ulepszony monitoring środowiska i szybsze opracowywanie leków - mówi zespół.

Stare psy, nowe sztuczki
Przełomem nie jest to, że bakterie wyświetlają te spektralne odciski palców, co jest faktem znanym od dziesięcioleci, ale sposób, w jaki zespół był w stanie ujawnić te widma pośród oślepiającego szeregu światła odbijającego się od każdej próbki.

„Nie tylko każdy rodzaj bakterii wykazuje unikalne wzorce światła, ale także praktycznie każda inna cząsteczka lub komórka w danej próbce” – powiedziała pierwsza autorka Fareeha Safir, doktorantka w laboratorium Dionne. „Czerwone krwinki, białe krwinki i inne składniki w próbce wysyłają z powrotem własne sygnały, co utrudnia lub wręcz uniemożliwia odróżnienie wzorców mikrobiologicznych od szumu innych komórek”.

Mililitr krwi – mniej więcej wielkości kropli deszczu – może zawierać miliardy komórek, z których tylko kilka może być drobnoustrojami. Zespół musiał znaleźć sposób na oddzielenie i wzmocnienie światła odbijającego się od samych bakterii. Aby to zrobić, zaryzykowali kilka zaskakujących styków naukowych, łącząc czterodziesięcioletnią technologię zapożyczoną z komputerów – drukarkę atramentową – oraz dwie najnowocześniejsze technologie naszych czasów – nanocząsteczki i sztuczną inteligencję.

„Kluczem do oddzielenia widm bakteryjnych od innych sygnałów jest izolowanie komórek w bardzo małych próbkach. Wykorzystujemy zasady druku atramentowego do drukowania tysięcy maleńkich kropek krwi zamiast badania jednej dużej próbki” – wyjaśnił współautor Butrus „Pierre” Khuri-Yakub, emerytowany profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Stanforda, który pomógł opracować oryginalną drukarkę atramentową drukarz w latach 1980.

„Ale nie można po prostu kupić gotowej drukarki atramentowej i dodać krwi lub ścieków” — podkreślił Safir. Aby ominąć wyzwania związane z obchodzeniem się z próbkami biologicznymi, naukowcy zmodyfikowali drukarkę tak, aby umieszczała próbki na papierze za pomocą impulsów akustycznych. Każda kropka wydrukowanej krwi ma wówczas objętość zaledwie dwóch bilionowych części litra – ponad miliard razy mniej niż kropla deszczu. W tej skali kropelki są tak małe, że mogą pomieścić zaledwie kilkadziesiąt komórek.

Ponadto naukowcy nasycili próbki złotymi nanoprętami, które przyczepiają się do bakterii, jeśli są obecne, i działają jak anteny, kierując światło lasera w kierunku bakterii i wzmacniając sygnał około 1500 razy w stosunku do siły niewzmocnionej. Odpowiednio wyizolowane i wzmocnione widma bakteryjne wystają jak naukowy obolały kciuk.

Ostatnim elementem układanki jest wykorzystanie uczenia maszynowego do porównania kilku widm odbijających się od każdej wydrukowanej kropki płynu w celu wykrycia charakterystycznych sygnatur dowolnych bakterii w próbce.

„To innowacyjne rozwiązanie, które może uratować życie. Jesteśmy teraz podekscytowani możliwościami komercjalizacji, które mogą pomóc w ponownym zdefiniowaniu standardu wykrywania bakterii i charakteryzacji pojedynczych komórek” – powiedział starszy współautor Amr Saleh, były doktor habilitowany w laboratorium Dionne, a obecnie profesor na Uniwersytecie w Kairze.

Katalizator współpracy
Ten rodzaj interdyscyplinarnej współpracy jest znakiem rozpoznawczym tradycji Stanford, w ramach której eksperci z pozornie odmiennych dziedzin wykorzystują swoją różnorodną wiedzę specjalistyczną, aby rozwiązywać długotrwałe wyzwania mające wpływ na społeczeństwo.

To szczególne podejście narodziło się podczas spotkania w porze lunchu w kawiarni na terenie kampusu, a w 2017 roku znalazło się wśród pierwszych odbiorców serii grantów w wysokości 3 milionów dolarów rozdanych przez Stanford's Catalyst for Collaborative Solutions. Granty Catalyst są specjalnie ukierunkowane na inspirowanie interdyscyplinarnego podejmowania ryzyka i współpracy między naukowcami Stanforda w dziedzinach o wysokich nagrodach, takich jak opieka zdrowotna, środowisko, autonomia i bezpieczeństwo.

Chociaż technika ta została stworzona i udoskonalona przy użyciu próbek krwi, Dionne jest równie pewna, że można ją zastosować do innych rodzajów płynów i komórek docelowych poza bakteriami, na przykład do testowania czystości wody pitnej lub być może szybszego, dokładniejszego i niższego wykrywania wirusów koszt niż obecne metody.

Inni współautorzy ze Stanford to była doktorantka Loza Tadesse; personel naukowy Kamyar Firouzi; Niaz Banaei, profesor patologii i medycyny w Szkole Medycznej; oraz Stefanie Jeffrey, profesor John and Marva Warnock, Emerita, w School of Medicine. Nhat Vu z Pumpkinseed Technologies jest także współautorem. Banaei, Dionne, Jeffrey i Khuri-Yakub są również członkami Stanford Bio-X. Dionne jest również starszym zastępcą rektora platform badawczych/wspólnych obiektów, członkiem Cardiovascular Institute i Wu Tsai Neurosciences Institute oraz członkiem Precourt Institute for Energy. Jeffrey jest także członkiem Stanford Cancer Institute. Khuri-Yakub jest także członkiem Cardiovascular Institute, Stanford Cancer Institute i Wu Tsai Neurosciences Institute.

Badania te zostały sfinansowane przez Stanford Catalyst for Collaborative Solutions, Chan Zuckerberg Biohub Investigator Program, NIH-NCATS-CTSA, Gates Foundation, National Science Foundation, NIH New Innovator Award oraz z funduszy zalążkowych Stanford Center for Innowacje w globalnym zdrowiu. Część tej pracy została wykonana w Stanford Nano Shared Facilities (SNSF) i Soft & Hybrid Materials Facility (SMF), które są wspierane przez National Science Foundation i National Nanotechnology Coordinated Infrastructure.

####

Aby uzyskać więcej informacji, kliknij tutaj

Łączność:
Jill Wu
Wydział Inżynierii Uniwersytetu Stanforda

Prawa autorskie © Stanford University School of Engineering

Jeśli masz komentarz, proszę Kontakt my.

Wydawcy komunikatów prasowych, a nie 7th Wave, Inc. lub Nanotechnology Now, ponoszą wyłączną odpowiedzialność za dokładność treści.

Zakładka: