Billig papirsensor identificerer nøjagtigt sygdomsfremkaldende bakterier

Bakterielle infektioner er den førende årsag til sygdom og død på verdensplan; et igangværende folkesundhedsproblem forværret af langsom eller unøjagtig diagnostik. Nu har NIBIB-finansierede forskere konstrueret en billig, papirbaseret test, der hurtigt kan identificere flere typer bakterier.

Forskerholdet ved University of Nebraska brugte en kompleks blanding af mikrobiologi, kemi og kunstig intelligens (AI) til at skabe en testplatform, der fremstår vildledende lavteknologisk – bygget til brug i fjerntliggende miljøer med lav ressource, såsom felthospitaler og landdistrikter. klinikker.

"Vi har designet denne teknologi til at være ekstremt følsom og nøjagtig til at identificere bakteriearter, samtidig med at den er nem at fremstille," forklarede Denis Svechkarev, Ph.D., forskningsassistent professor i afdelingen for farmaceutiske videnskaber og medførsteforfatter af papiret. med kandidatstuderende Aayushi Laliwala. "Testen er også holdbar nok til at overleve forsendelse til fjerntliggende steder og enkel nok til nemt at blive brugt af sundhedspersonale med begrænset træning og udstyr."

Arbejdet udføres i laboratoriet hos Aaron M. Mohs, Ph.D., lektor i afdelingen for farmaceutiske videnskaber og seniorforfatter på publikationen, som udkom i tidsskriftet Analytical Chemistry den 24. januar.

Den "enkle" platform, som er i udviklings- og teststadierne med håb om eventuel brug i marken, har et komplekst navn, "Paper-Based Ratiometric Fluorescent Sensor Array." På størrelse med et 3 x 5 kort er papirsensoren "arrayet" med et gitter af små cirkler, hvorpå de bakterieprøver, der skal testes, påføres. Den "ratiometriske fluorescerende" del af navnet henviser til den geniale måde, bakterierne identificeres på.

Forskerholdet designede og syntetiserede fluorescerende farvestoffer, der kan "fornemme" de subtile biokemiske forskelle af hver type bakterie og omdanne disse forskelle til forskellige fluorescerende signaler. Fire forskellige fluorescerende farvestoffer tørres på fire cirkler på arrayet, der omfatter en enkelt test. En bakterieprøve, såsom e coli, placeres på hver af de fire cirkler, og farvestofferne aktiveres med ultraviolet lys, hvilket resulterer i, at de fire farvestoffer hver udsender fem fluorescerende signaler for i alt 20 fluorescerende signaler pr. test.

En fluorescerende pladelæser scanner de 20 fluorescerende signaler, som varierer afhængigt af farvestoffernes interaktion med bakteriens ydre membran. Et state-of-the-art AI-program - i form af et kunstigt neuralt netværk - blev trænet til at genkende det subtile, men specifikke mønster af fluorescerende intensiteter skabt af hver type bakterier. Resultatet er et "signatur" fluorescerende mønster, der overføres fra læseren til det kunstige neurale netværksprogram, som identificerer typen af ​​bakterier.

I samarbejde med mikrobiologerne har Dr. Marat R. Sadykov og Kenneth W. Bayles, holdet testede systemet ved hjælp af en samling af 16 bakteriearter. Systemet identificerede de 16 arter korrekt mere end 90 % af tiden - et nøjagtighedsniveau, der kunne give en sundhedsmedarbejder i felten værdifuld information om de specifikke bakterier i et inficeret individ, hvilket muliggør præcis, hurtig antibiotikabehandling. Testen fastslog også, om bakterierne var grampositive eller negative med 95 % nøjagtighed. Gram-testning er en teknik, der yderligere bestemmer sammensætningen af ​​bakterier og er afgørende for at vide, hvilke typer antibiotika der er mest effektive. Nøjagtigheden af ​​testen var yderst lovende i betragtning af, at et par timers forsinkelse i diagnosticering og behandling af en infektionssygdom dramatisk forværrer patientens prognose.

Hvert aspekt af testen er designet til potentiel brug i selv de mest fjerntliggende dele af verden, hvor nuværende teknikker, der kræver sofistikeret udstyr og ekspertise, ikke er gennemførlige. For eksempel fjernede tørring af de fluorescerende farvestoffer på papirkortet behovet for at bruge flydende fluorescerende farvestoffer, der ville kræve afkøling - ofte utilgængelige i områder med lav ressource. Fotolitografi blev brugt til at "fotostemple" gitteret af cirkler på papirkortet - en hurtig og billig måde at fremstille tusindvis af kort på. Ved test – udført ved at placere kortene i en æske i skabet – forblev kortene stabile i op til seks måneder, hvilket gør dem ideelle til forsendelse og distribution til fjerntliggende områder. Mønsteret på kortet er identisk med de 96-brøndsplader, der bruges til mange test, der bruger flydende komponenter, hvilket gør det muligt at scanne og læse papirkortene af let tilgængelige standardmaskiner.

"Dette projekt er et ekstraordinært eksempel på, hvordan det at gøre noget enkelt kræver brug af flere komplekse teknologier," siger Tatjana Atanasijevic, Ph.D., (Scientific Program Manager) for programmet i Bioanalytical Sensors ved National Institute for Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB), som medfinansierede projektet sammen med flere yderligere institutter ved National Institutes of Health.

Arbejdet er i forsknings- og udviklingsstadiet, og teamet tester og forfiner systemet ved hjælp af prøver, der replikerer, hvad der ville blive indsamlet fra patienter i felten. Fremtidige tekniske bedrifter i holdets trådkors inkluderer at arbejde med ingeniører for at skabe et system, der gør det muligt at læse papirkortet med 96 punkter med en enklere enhed, måske endda et mobiltelefonkamera - et ganske vist højt mål, men det kan lade sig gøre, forklarede Svechkarev.

Adspurgt om arbejdet krediterer Mohs Svechkarevs og Laliwalas ekstraordinære indsats. "Teknologien, der er nødvendig for at skabe dette bakterielle detektionssystem, blev udtænkt under pandemien, da vi havde begrænset adgang til laboratoriet. Denis og Aayushi brugte denne tid til at udvikle færdigheder, der inkluderede nye computerkodningsmetoder, og lærte at bruge forskellige typer kunstig intelligens, og færdiggørelse af designet af de bedste fluorescerende farvestoffer - alle nøgleelementer, der kom sammen for at bygge dette lovende diagnostiske system." + Udforsk yderligere

Visualisering af de indre rum i levende planteceller ved hjælp af fluorescerende naphthalimidfarvestoffer