I ricercatori della University of California San Diego School of Medicine hanno sviluppato una tecnica di rilevamento microbico così sensibile da consentire loro di rilevare solo 50-100 cellule batteriche presenti su una superficie. Cosa c'è di più, possono testare i campioni in modo più efficiente, fino a centinaia di campioni in un solo giorno.

La tecnica è stata convalidata campionando centinaia di superfici in tre ambienti diversi:la Spacecraft Assembly Facility presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA presso il California Institute of Technology; l'unità di terapia intensiva neonatale (NICU) nel Jacobs Medical Center dell'UC San Diego Health; e un impianto di allevamento di abalone bianco in via di estinzione presso il Southwest Fisheries Science Center della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) a La Jolla, Calif.

Dettagli della tecnica, chiamato KatharoSeq, sono pubblicati il ​​13 marzo sulla rivista mSistemi . ("Katharos" in greco significa "puro, " e "Seq" è l'abbreviazione di sequenziamento.) KatharoSeq ha già rivelato nuove informazioni sui tre siti di test che potrebbero aiutare a ottimizzare il modo in cui viene assemblato il Mars 2020 Rover, come vengono tracciati i batteri negli ospedali, e come le abalone bianche in via di estinzione vengono allevate e riportate in natura.

"Più sappiamo delle comunità microbiche in un dato ambiente, più è probabile che possiamo rimodellarli per migliorare l'ambiente e la salute umana, " ha detto l'autore senior Rob Knight, dottorato di ricerca, professore di pediatria e informatica e ingegneria, e direttore del Center for Microbiome Innovation presso l'UC San Diego.

Ecco cosa ha rivelato finora KatharoSeq:

La struttura di assemblaggio di veicoli spaziali presso il Jet Propulsion Laboratory è dove la NASA costruisce veicoli spaziali e macchinari da lanciare nello spazio. Gli ingegneri e il personale devono rendere conto di ogni organismo biologico inviato nello spazio per prevenire la contaminazione di altri pianeti.

In questa parte dello studio, Il team di Knight si è chiesto se KatharoSeq potesse essere in grado di rilevare i microbi in quella che si pensa sia una struttura sterile. Dei tre siti testati, lo Spacecraft Assembly Facility aveva la diversità microbica più bassa. Ma i batteri erano ancora presenti:KatharoSeq ha rilevato 32 tipi. Il tipo più abbondante era Acinetobacter Iwoffi , che è associato al traffico di persone.

Il team di Knight ora lavorerà con lo staff del Jet Propulsion Laboratory per creare una mappa dei microbi che vivono nella struttura nei prossimi sei mesi, incluso il Mars 2020 Rover. Il loro obiettivo è inviare un rover sterile su Marte.

La terapia intensiva neonatale presso il Jacobs Medical Center dell'UC San Diego Health è relativamente nuovo:l'ospedale specialistico avanzato da 245 posti letto aperto a La Jolla alla fine del 2016, circa quattro mesi prima che i campioni fossero raccolti per questo studio. La terapia intensiva neonatale da 52 stanze è stata progettata per dare a ogni bambino e alla sua famiglia una stanza privata, con l'idea che non solo fornirebbe una migliore esperienza al paziente, ma anche prevenire la diffusione dell'infezione tra questa popolazione vulnerabile.

In questo studio, i campioni della UTIN contenevano più specie batteriche rispetto alla Spacecraft Assembly Facility, ma meno dell'impianto di allevamento di abalone bianco. Coerentemente con altri risultati ospedalieri, i ricercatori che utilizzano KatharoSeq hanno scoperto che i batteri stafilococchi erano il tipo più importante nella struttura, la maggior parte dei quali erano residenti innocui sulla pelle Staphylococcus epidermidis .

La terapia intensiva neonatale ha due sezioni:una con maggiore acutezza (un rapporto medico-paziente più elevato) e una con minore acutezza. Il team ha trovato più batteri stafilococchi sulle superfici dell'ala ad alta acutezza, che al momento dello studio era correlato con un tasso di coltura più elevato in quell'area (sei colture positive in 14 stanze ad alta acuità, contro sei su cinque su 37 stanze a bassa acuità).

Utilizzando KatharoSeq, le superfici di una delle sale della terapia intensiva neonatale sono risultate positive al batterio Serratia marcescens . All'insaputa della squadra di Knight in quel momento, il bambino che stava in quella stanza aveva avuto un'infezione polmonare con quel batterio. Ma hanno notato che i batteri erano assenti dalle stanze su entrambi i lati, sostenendo l'assunto che le stanze private dei pazienti forniscano una barriera all'infezione.

"Tutti gli ospedali hanno batteri, " disse Knight. "Ma questo è il tipo di informazioni che non abbiamo ancora:quali batteri si trovano dove, e per quanto tempo. Il monitoraggio dei patogeni attualmente richiede il prelievo di campioni dai pazienti e il loro invio per la coltura, dove i tecnici di laboratorio aspettano di vedere quali batteri crescono in una capsula di Petri. Essere in grado di monitorare e prevedere gli agenti patogeni di routine, campionamento non invasivo dell'ambiente costruito e sequenziamento per identificare i batteri, piuttosto che aspettare che le culture crescano, potrebbe essere un approccio utile per identificare potenziali hotspot di trasmissione che sono attualmente sconosciuti".

Nel futuro, co-autore Jae Kim, dottore, professore clinico associato di pediatria e direttore medico nutrizionale del Supporting Premature Infant Nutrition Program, e il suo team sperano di studiare gli interventi probiotici nella terapia intensiva neonatale. Vogliono sapere se il trattamento dei pazienti con batteri benefici potrebbe aiutare a prevenire la colonizzazione di batteri patogeni nel tempo, sia sul paziente che all'interno dell'ambiente costruito della stanza.

Centro scientifico per la pesca del sud-ovest della NOAA alleva abalone bianco in via di estinzione per aiutare a ristabilire le loro popolazioni in natura. Questi crostacei sono stati il ​​primo invertebrato marino aggiunto all'elenco delle specie in via di estinzione alla fine degli anni '90. Poiché le loro popolazioni sono diminuite in parte a causa di una sindrome da avvizzimento causata da un tipo di Rickettsia batteri, il controllo delle infezioni è di vitale importanza per l'impianto di allevamento, in particolare quando gli abalone vengono trasferiti da altri acquari. Il serbatoio di abalone bianco riceve l'acqua di mare che è stata trattata con raggi UV e filtrata.

In questo studio, KatharoSeq ha rilevato una comunità microbica diversificata nelle vasche di abalone bianco. I ricercatori hanno scoperto molti tipi di batteri marini, comprese le specie simbiotiche che possono aiutare i pesci a digerire le alghe. L'abalone bianco aveva più batteri in comune con l'ambiente circostante che con il vicino abalone rosso. Ma i ricercatori non hanno rilevato alcun problema Rickettsia . Andando avanti, Il team di Knight spera di lavorare con la struttura di allevamento per determinare la composizione microbica ottimale dell'abalone bianco e dell'ambiente circostante per migliorare il successo del trapianto.

"Quando si tratta di salute umana e ambientale, sterile non è necessariamente migliore, " ha detto il co-autore Russ Vetter, uno scienziato senior al NOAA Southwest Fisheries Science Center. "Vogliamo confrontare l'abalone selvatico e quello allevato in acquario, e capire meglio come i batteri residenti di un abalone allevato in acquario li aiutano o li danneggiano una volta rilasciati nell'oceano. Hanno bisogno di un bagno probiotico prima del rilascio, o servirà una dieta diversa per prepararli? Non lo sappiamo ancora".

Dettagli tecnici . Il primo autore di questo studio, Geremia Minich, uno studente laureato che lavora alla sua tesi nel laboratorio di Knight e nel laboratorio di Eric E. Allen, dottorato di ricerca, professore associato presso la UC San Diego Scripps Institution of Oceanography, hanno tamponato ciascuno di questi siti indossando abiti e guanti protettivi per evitare la contaminazione involontaria degli ambienti. Ha riportato i campioni al laboratorio su ghiaccio secco, quindi li ha sottoposti al tipico protocollo di sequenziamento del DNA microbico:estrarre il DNA dai campioni, amplificare i "codici a barre" specifici dei microbi noti come rRNA 16S utilizzando una tecnica chiamata reazione a catena della polimerasi (PCR), eseguirli attraverso un sequencer e analizzare i dati.

La novità di KatharoSeq è che Minich ha integrato una strategia di pool di campioni, appropriati controlli positivi e negativi, estrazione del DNA ad alto rendimento e un approccio di pulizia del DNA basato su sfere magnetiche. La maggior parte dei ricercatori passa i propri campioni attraverso un filtro in una colonna per purificare il DNA prima del sequenziamento, ma Minich e il team hanno scoperto che molto materiale viene inavvertitamente perso in quel modo. Con KatharoSeq, i ricercatori hanno migliorato il loro livello di rilevamento microbico di circa due ordini di grandezza e hanno aumentato la velocità con cui possono elaborare i campioni di circa cinque volte, rispetto ai metodi standard di campionamento e sequenziamento.

"Possiamo ottenere risultati entro 48 ore dalla ricezione di un campione biologico, " ha detto Minich. "E pensiamo di poterlo fare ancora più velocemente una volta che lo scaleremo e incorporeremo più automazione nel processo KatharoSeq."