Ny teknik kan afsløre hidtil uopdagelige bakterier på steder, hvor de ikke er ønsket

Forskere ved University of California San Diego School of Medicine har udviklet en mikrobiel detektionsteknik, der er så følsom, at den giver dem mulighed for at opdage så få som 50-100 bakterieceller til stede på en overflade. Hvad mere er, de kan teste prøver mere effektivt - op til hundredvis af prøver på en enkelt dag.

Teknikken blev valideret ved at udtage hundredvis af overflader i tre forskellige miljøer:Rumfartøjets samlingsfacilitet ved NASA's Jet Propulsion Laboratory ved California Institute of Technology; neonatal intensiv afdeling (NICU) i Jacobs Medical Center ved UC San Diego Health; og et truet opdrætsanlæg for hvid abalone ved National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)'s Southwest Fisheries Science Center i La Jolla, Californien

Detaljer om teknikken, kaldet KatharoSeq, offentliggøres 13. marts i tidsskriftet mSystems . ("Katharos" er græsk for "ren, " og "Seq" er en forkortelse for sekventering.) KatharoSeq har allerede afsløret ny indsigt om de tre teststeder, der kan hjælpe med at optimere, hvordan Mars 2020 Rover er samlet, hvordan bakterier spores på hospitaler, og hvordan truede hvid abalone opdrættes og returneres til naturen.

"Jo mere vi ved om de mikrobielle samfund i et givet miljø, jo mere sandsynligt er det, at vi kan omforme dem for at forbedre miljøet og menneskers sundhed, " sagde senior forfatter Rob Knight, PhD, professor i pædiatri og datalogi og teknik, og direktør for Center for Microbiome Innovation ved UC San Diego.

Her er, hvad KatharoSeq har afsløret indtil videre:

Rumfartøjssamlingsfaciliteten ved Jet Propulsion Laboratory er der, hvor NASA bygger rumfartøjer og maskiner, der skal opsendes i rummet. Ingeniører og personale skal redegøre for hver biologisk organisme, der sendes ud i rummet for at forhindre forurening af andre planeter.

I denne del af undersøgelsen, Knights team spekulerede på, om KatharoSeq måske kunne opdage mikrober i, hvad der menes at være et sterilt anlæg. Af de tre testede steder, rumfartøjssamlingsfaciliteten havde den laveste mikrobielle diversitet. Men bakterier var stadig til stede - KatharoSeq opdagede 32 typer. Den mest udbredte type var Acinetobacter Iwoffi , som er forbundet med menneskelig færdsel.

Knights team vil nu arbejde sammen med Jet Propulsion Laboratory-personale for at skabe et kort over de mikrober, der bor i anlægget i løbet af de næste seks måneder, inklusive Mars 2020 Rover. Deres mål er at sende en steril rover til Mars.

NICU på Jacobs Medical Center ved UC San Diego Health er relativt nyt - det avancerede specialhospital med 245 senge åbnede i La Jolla i slutningen af ​​2016, omkring fire måneder før prøver blev indsamlet til denne undersøgelse. 52-værelses NICU blev designet til at give hver baby og hans eller hendes familie et privat værelse, med tanken om, at det ikke kun ville give en bedre patientoplevelse, men også forhindre spredning af smitte blandt denne sårbare befolkning.

I dette studie, NICU-prøverne indeholdt flere bakteriearter end Spacecraft Assembly Facility, men færre end opdrætsanlægget for hvid abalone. I overensstemmelse med andre hospitalsfund, forskerne, der brugte KatharoSeq, fandt ud af, at stafylokokkbakterier var den mest fremtrædende type i anlægget, hvoraf størstedelen var den harmløse hudbeboer Staphylococcus epidermidis .

NICU har to sektioner - en med højere skarphed (et højere forhold mellem sundhedsplejersker og patient) og en med lavere skarphed. Holdet fandt flere stafylokokkbakterier på overfladerne af den høje skarpe vinge, som på tidspunktet for undersøgelsen korrelerede med en højere dyrkningsrate i det pågældende område (seks positive kulturer i 14 rum med høj skarphed, mod seks ud af fem af 37 rum med lav skarphed).

Ved at bruge KatharoSeq, overflader i et af NICU-rummene testet positive for bakterien Serratia marcescens . Uvidende af Knight's team på det tidspunkt, spædbarnet, der opholdt sig i det værelse, havde haft en lungeinfektion med den bakterie. Men de bemærkede, at bakterierne var fraværende fra værelserne på begge sider, understøtter antagelsen om, at private patientstuer udgør en barriere for smitte.

"Alle hospitaler har bakterier, " sagde Knight. "Men det er den slags information, vi endnu ikke har - hvilke bakterier findes hvor, og hvor længe. Patogenovervågning kræver i øjeblikket, at der tages prøver fra patienter og sendes til dyrkning, hvor laboratorieteknikere venter på at se, hvilke bakterier der vokser i en petriskål. At være i stand til at overvåge og forudsige patogener ved rutine, ikke-invasiv prøvetagning af det byggede miljø og sekventering for at identificere bakterierne, i stedet for at vente på, at kulturer vokser, kunne være en nyttig tilgang til at identificere potentielle hotspots for transmission, der i øjeblikket er ukendte."

I fremtiden, medforfatter Jae Kim, MD, associeret klinisk professor i pædiatri og ernæringsmedicinsk direktør for Supporting Premature Infant Nutrition Program, og hans team håber at undersøge probiotiske indgreb i NICU. De vil vide, om behandling af patienter med gavnlige bakterier kan hjælpe med at forhindre kolonisering med patogene bakterier over tid, både på patienten og i rummets byggede omgivelser.

NOAA's Southwest Fisheries Science Center opdrætter truet hvid abalone for at hjælpe med at genetablere deres bestande i naturen. Disse skaldyr var det første marine hvirvelløse dyr tilføjet til listen over truede arter - i slutningen af ​​1990'erne. Siden deres befolkninger er faldet delvist på grund af et visnende syndrom forårsaget af en type Rickettsia bakterie, infektionskontrol er af afgørende betydning for opdrætsanlægget, især når abalone overføres fra andre akvarier. Den hvide abalonetank modtager havvand, der er blevet UV-behandlet og filtreret.

I dette studie, KatharoSeq opdagede et mangfoldigt mikrobielt samfund i de hvide abalone-tanke. Forskerne fandt mange typer af marine bakterier, herunder symbiotiske arter, der kan hjælpe fiskene med at fordøje alger. Den hvide abalone havde flere bakterier til fælles med deres omgivende miljø end med den nærliggende røde abalone. Men forskerne opdagede ikke noget af det bekymrende Rickettsia . Fremadrettet, Knight's team håber på at arbejde sammen med opdrætsfaciliteten for at bestemme den optimale mikrobielle sammensætning af den hvide abalone og dens omgivende miljø for at forbedre transplantationssuccesen.

"Når det kommer til menneskers og miljøets sundhed, steril er ikke nødvendigvis bedre, " sagde medforfatter Russ Vetter, seniorforsker ved NOAA Southwest Fisheries Science Center. "Vi ønsker at sammenligne vild og akvarieopdrættet abalone, og forstå bedre, hvordan en akvarieopdrættet abalones fastboende bakterier hjælper eller skader dem, når de først slippes ud i havet. Har de brug for et probiotisk bad før frigivelse, eller vil en anden diæt hjælpe med at forberede dem? Vi ved det ikke endnu."

Tekniske detaljer . Den første forfatter til denne undersøgelse, Jeremiah Minich, en kandidatstuderende, der arbejder på sit speciale i Knight's lab og i laboratoriet hos Eric E. Allen, PhD, lektor ved UC San Diego Scripps Institution of Oceanography, vasket hver af disse steder, mens de var iført beskyttelseskjoler og handsker for at undgå utilsigtet forurening af miljøerne. Han tog prøverne tilbage til laboratoriet på tøris, derefter kørte dem gennem den typiske mikrobielle DNA-sekventeringsprotokol:ekstraher DNA fra prøverne, amplificere mikrobespecifikke "stregkoder" kendt som 16S rRNA ved hjælp af en teknik kaldet polymerasekædereaktion (PCR), køre dem gennem en sequencer og analysere dataene.

Det nye i KatharoSeq er, at Minich integrerede en prøvepuljestrategi, passende positive og negative kontroller, high-throughput DNA-ekstraktion og en magnetisk perle-baseret DNA-oprydningstilgang. De fleste forskere passerer deres prøver gennem et filter i en kolonne for at rense DNA før sekventering, men Minich og team fandt ud af, at en masse materiale er utilsigtet tabt på den måde. Med KatharoSeq, forskerne forbedrede deres niveau af mikrobiel detektion omkring to størrelsesordener og øgede den hastighed, hvormed de kan behandle prøver omkring fem gange, sammenlignet med standard prøveudtagnings- og sekventeringsmetoder.

"Vi kan få resultater så hurtigt som 48 timer efter at have modtaget en biologisk prøve, " sagde Minich. "Og vi tror, ​​vi kunne gøre det endnu hurtigere, når vi først skalerer det op og inkorporerer mere automatisering i KatharoSeq-processen."