Stanford-Forscher entwickeln eine neue Methode zur Identifizierung von Bakterien in Flüssigkeiten: Eine innovative Adaption der Technologie in einem alten Tintenstrahldrucker plus KI-gestützte Bildgebung führt zu einer schnelleren und kostengünstigeren Möglichkeit, Bakterien in Blut, Abwasser und mehr zu erkennen

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Details der gedruckten Punkte auf einem goldbeschichteten Objektträger (a), bei dem die Fehlfärbung in der Nahaufnahme eines einzelnen Punkts rote Blutrufe in Rot und Staphylococcus epidermidis-Bakterien in Blau zeigt. Die Forscher druckten auch auf einen mit Agar beschichteten Objektträger (b), um zu zeigen, wie sich die Punkte unter der Inkubation verhalten. KREDIT
Fareeha Safir

Abstract:
Richten Sie einen Laser auf einen Tropfen Blut, Schleim oder Abwasser, und das zurückreflektierte Licht kann verwendet werden, um Bakterien in der Probe eindeutig zu identifizieren.

Stanford-Forscher entwickeln eine neue Methode zur Identifizierung von Bakterien in Flüssigkeiten: Eine innovative Anpassung der Technologie in einem alten Tintenstrahldrucker plus KI-unterstützte Bildgebung führt zu einer schnelleren und kostengünstigeren Möglichkeit, Bakterien in Blut, Abwasser und mehr zu erkennen

Stanford, Kalifornien | Gepostet am 3. März 2023

„Wir können nicht nur herausfinden, ob Bakterien vorhanden sind, sondern auch, welche Bakterien in der Probe enthalten sind – E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, Anthrax und mehr“, sagte Jennifer Dionne, außerordentliche Professorin für Materialwissenschaft und -technik und , mit freundlicher Genehmigung, der Radiologie an der Stanford University. „Jede Mikrobe hat ihren eigenen einzigartigen optischen Fingerabdruck. Es ist wie der in Licht gekritzelte genetische und proteomische Code.“

Dionne ist Seniorautorin einer neuen Studie in der Zeitschrift Nano Letters, in der sie eine innovative Methode beschreibt, die ihr Team entwickelt hat und die zu schnelleren (fast sofortigen), kostengünstigen und genaueren mikrobiellen Assays von praktisch jeder Flüssigkeit führen könnte, die man auf Mikroben testen möchte.

Traditionelle Kultivierungsmethoden, die heute noch verwendet werden, können Stunden, wenn nicht Tage dauern, bis sie abgeschlossen sind. Eine Tuberkulose-Kultur dauert 40 Tage, sagte Dionne. Der neue Test kann in wenigen Minuten durchgeführt werden und verspricht bessere und schnellere Diagnosen von Infektionen, einen verbesserten Einsatz von Antibiotika, sicherere Lebensmittel, eine verbesserte Umweltüberwachung und eine schnellere Arzneimittelentwicklung, sagt das Team.

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Der Durchbruch liegt nicht darin, dass Bakterien diese spektralen Fingerabdrücke zeigen, eine Tatsache, die seit Jahrzehnten bekannt ist, sondern darin, wie das Team diese Spektren inmitten des blendenden Lichts, das von jeder Probe reflektiert wird, sichtbar machen konnte.

„Nicht nur jede Art von Bakterium weist einzigartige Lichtmuster auf, sondern auch praktisch jedes andere Molekül oder jede andere Zelle in einer bestimmten Probe“, sagte die Erstautorin Fareeha Safir, eine Doktorandin in Dionnes Labor. „Rote Blutkörperchen, weiße Blutkörperchen und andere Komponenten in der Probe senden ihre eigenen Signale zurück, was es schwierig, wenn nicht unmöglich macht, die mikrobiellen Muster vom Rauschen anderer Zellen zu unterscheiden.“

Ein Milliliter Blut – etwa so groß wie ein Regentropfen – kann Milliarden von Zellen enthalten, von denen nur wenige Mikroben sein könnten. Das Team musste einen Weg finden, nur das von den Bakterien reflektierte Licht zu trennen und zu verstärken. Dazu wagten sie sich entlang mehrerer überraschender wissenschaftlicher Tangenten, indem sie eine vier Jahrzehnte alte Technologie aus der Computertechnik – den Tintenstrahldrucker – und zwei Spitzentechnologien unserer Zeit – Nanopartikel und künstliche Intelligenz – kombinierten.

„Der Schlüssel zur Trennung von Bakterienspektren von anderen Signalen liegt darin, die Zellen in extrem kleinen Proben zu isolieren. Wir verwenden die Prinzipien des Tintenstrahldrucks, um Tausende winziger Blutpunkte zu drucken, anstatt eine einzige große Probe zu untersuchen“, erklärte Co-Autor Butrus „Pierre“ Khuri-Yakub, emeritierter Professor für Elektrotechnik in Stanford, der an der Entwicklung des ursprünglichen Tintenstrahls mitgewirkt hat Drucker in den 1980er Jahren.

„Aber man kann sich nicht einfach einen Tintenstrahldrucker von der Stange besorgen und Blut oder Abwasser hinzufügen“, betonte Safir. Um Herausforderungen beim Umgang mit biologischen Proben zu umgehen, modifizierten die Forscher den Drucker, um Proben mit akustischen Impulsen zu Papier zu bringen. Jeder aufgedruckte Blutpunkt hat dann nur noch ein Volumen von zwei Billionstel Litern – mehr als eine Milliarde Mal kleiner als ein Regentropfen. In dieser Größenordnung sind die Tröpfchen so klein, dass sie nur ein paar Dutzend Zellen enthalten können.

Darüber hinaus infundierten die Forscher die Proben mit Gold-Nanostäbchen, die sich, falls vorhanden, an Bakterien anheften und wie Antennen wirken, das Laserlicht auf die Bakterien lenken und das Signal um das etwa 1500-fache seiner unverstärkten Stärke verstärken. Entsprechend isoliert und verstärkt stechen die Bakterienspektren hervor wie wissenschaftliche Daumennagel.

Das letzte Teil des Puzzles ist die Verwendung von maschinellem Lernen, um die verschiedenen Spektren zu vergleichen, die von jedem gedruckten Flüssigkeitspunkt reflektiert werden, um die verräterischen Signaturen von Bakterien in der Probe zu erkennen.

„Es ist eine innovative Lösung mit dem Potenzial für lebensrettende Auswirkungen. Wir freuen uns jetzt über Kommerzialisierungsmöglichkeiten, die dazu beitragen können, den Standard des Bakteriennachweises und der Einzelzellcharakterisierung neu zu definieren“, sagte Senior Co-Autor Amr Saleh, ein ehemaliger Postdoktorand in Dionnes Labor und jetzt Professor an der Universität Kairo.

Katalysator für Zusammenarbeit
Diese Art der interdisziplinären Zusammenarbeit ist ein Markenzeichen der Stanford-Tradition, in der Experten aus scheinbar unterschiedlichen Bereichen ihre unterschiedlichen Fachkenntnisse einbringen, um seit langem bestehende Herausforderungen mit gesellschaftlicher Bedeutung zu lösen.

Dieser besondere Ansatz wurde während eines Mittagstreffens in einem Café auf dem Campus entwickelt und gehörte 2017 zu den ersten Empfängern einer Reihe von 3-Millionen-Dollar-Zuschüssen, die von Stanfords Catalyst for Collaborative Solutions vergeben wurden. Catalyst Grants zielen speziell darauf ab, die interdisziplinäre Risikobereitschaft und Zusammenarbeit zwischen Stanford-Forschern in hochlohnenden Bereichen wie Gesundheitswesen, Umwelt, Autonomie und Sicherheit zu inspirieren.

Während diese Technik unter Verwendung von Blutproben entwickelt und perfektioniert wurde, ist Dionne ebenso zuversichtlich, dass sie neben Bakterien auch auf andere Arten von Flüssigkeiten und Zielzellen angewendet werden kann, z. B. um Trinkwasser auf Reinheit zu testen oder vielleicht Viren schneller, genauer und kostengünstiger zu erkennen Kosten als gegenwärtige Methoden.

Weitere Koautoren von Stanford sind die ehemalige Doktorandin Loza Tadesse; Forschungsmitarbeiter Kamyar Firouzi; Niaz Banaei, Professor für Pathologie und Medizin an der School of Medicine; und Stefanie Jeffrey, emeritierte Professorin für John und Marva Warnock an der School of Medicine. Nhat Vu von Pumpkinseed Technologies ist ebenfalls Co-Autor. Banaei, Dionne, Jeffrey und Khuri-Yakub sind ebenfalls Mitglieder von Stanford Bio-X. Dionne ist außerdem Senior Associate Vice Provost von Forschungsplattformen/gemeinsamen Einrichtungen, Mitglied des Cardiovascular Institute und des Wu Tsai Neurosciences Institute sowie eine Tochtergesellschaft des Precourt Institute for Energy. Jeffrey ist auch Mitglied des Stanford Cancer Institute. Khuri-Yakub ist außerdem Mitglied des Cardiovascular Institute, des Stanford Cancer Institute und des Wu Tsai Neurosciences Institute.

Diese Forschung wurde vom Stanford Catalyst for Collaborative Solutions, dem Chan Zuckerberg Biohub Investigator Program, dem NIH-NCATS-CTSA, der Gates Foundation, der National Science Foundation, dem NIH New Innovator Award und aus Startmitteln des Stanford Center for finanziert Innovation in der globalen Gesundheit. Ein Teil dieser Arbeit wurde an den Stanford Nano Shared Facilities (SNSF) und der Soft & Hybrid Materials Facility (SMF) durchgeführt, die von der National Science Foundation und der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure unterstützt werden.

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Kontakte:
Jill Wu
Stanford Universität School of Engineering

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