Test di array di carta per identificare le specie batteriche. Per ogni test viene posizionato un campione batterico sui punti portanti ciascuno dei quattro coloranti fluorescenti mostrati nel rettangolo. È possibile eseguire fino a 20 test su una scheda. Credito:Chimica analitica (2022). DOI:10.1021/acs.analchem.1c05021
Le infezioni batteriche sono la principale causa di malattia e morte nel mondo; un problema di salute pubblica in corso aggravato da una diagnostica lenta o imprecisa. Ora gli scienziati finanziati dal NIBIB hanno progettato un test cartaceo poco costoso in grado di identificare rapidamente più tipi di batteri.
Il team di ricerca dell'Università del Nebraska ha utilizzato una complessa miscela di microbiologia, chimica e intelligenza artificiale (AI) per creare una piattaforma di test che sembra ingannevolmente a bassa tecnologia, costruita per l'uso in ambienti remoti con poche risorse come ospedali da campo e aree rurali cliniche.
"Abbiamo progettato questa tecnologia per essere estremamente sensibile e precisa per l'identificazione delle specie batteriche e allo stesso tempo facile da produrre", ha spiegato Denis Svechkarev, Ph.D., professore assistente di ricerca nel dipartimento di scienze farmaceutiche e co-primo autore dell'articolo con lo studente laureato Aayushi Laliwala. "Il test è anche abbastanza duraturo da sopravvivere alla spedizione in località remote e abbastanza semplice da essere facilmente utilizzato dal personale sanitario con formazione e attrezzature limitate".
Il lavoro è condotto nel laboratorio di Aaron M. Mohs, Ph.D., professore associato nel dipartimento di scienze farmaceutiche e autore senior della pubblicazione, apparsa sulla rivista Chimica analitica il 24 gennaio.
Grafico che mostra che intere cellule batteriche hanno generato modelli fluorescenti distinti. Diversi modelli fluorescenti vengono creati a causa delle diverse interazioni dei coloranti fluorescenti in ciascun involucro batterico. Credito:Chimica analitica (2022). DOI:10.1021/acs.analchem.1c05021
La piattaforma "semplice", che è in fase di sviluppo e test con la speranza di un eventuale utilizzo sul campo, ha un nome complesso, "Matrice di sensori fluorescenti raziometrici basati su carta". Delle dimensioni di una scheda 3 x 5, il sensore di carta è "disposto" con una griglia di piccoli cerchi su cui vengono applicati i campioni batterici da testare. La parte "fluorescente raziometrica" del nome si riferisce al modo ingegnoso di identificare i batteri.
Il team di ricerca ha progettato e sintetizzato coloranti fluorescenti in grado di "percepire" le sottili differenze biochimiche di ciascun tipo di batterio e trasformare tali differenze in diversi segnali fluorescenti. Quattro diversi coloranti fluorescenti vengono essiccati su quattro cerchi dell'array comprendente un unico test. Un campione batterico, come e coli, viene posizionato su ciascuno dei quattro cerchi e i coloranti vengono attivati con la luce ultravioletta in modo che i quattro coloranti emettano ciascuno cinque segnali fluorescenti per un totale di 20 segnali fluorescenti per test.
Un lettore di lastre fluorescenti scansiona i 20 segnali fluorescenti, che variano a seconda dell'interazione dei coloranti con la membrana esterna dei batteri. Un programma di intelligenza artificiale all'avanguardia, sotto forma di una rete neurale artificiale, è stato addestrato per riconoscere il modello sottile ma specifico delle intensità fluorescenti create da ciascun tipo di batterio. Il risultato è un pattern fluorescente "firma" che viene trasferito dal lettore al programma di rete neurale artificiale, che identifica il tipo di batterio.
In collaborazione con i microbiologi, i dott. Marat R. Sadykov e Kenneth W. Bayles, il team ha testato il sistema utilizzando una raccolta di 16 specie batteriche. Il sistema ha identificato correttamente le 16 specie più del 90% delle volte, un livello di accuratezza che potrebbe fornire a un operatore sanitario sul campo preziose informazioni sui batteri specifici in un individuo infetto, consentendo un trattamento antibiotico preciso e tempestivo. Il test ha anche determinato se i batteri erano gram-positivi o negativi con una precisione del 95%. Il test di Gram è una tecnica che determina ulteriormente la composizione dei batteri ed è fondamentale per sapere quali tipi di antibiotici sono più efficaci. L'accuratezza del test è stata estremamente promettente considerando che poche ore di ritardo nella diagnosi e nel trattamento di una malattia infettiva peggiorano drasticamente la prognosi del paziente.
Colori generati dal batterio Staphylococcus aureus colorati con tre diversi coloranti fluorescenti. In alto a sinistra è S. aureus senza macchia fluorescente. Credito:Chimica analitica (2022). DOI:10.1021/acs.analchem.1c05021
Ogni aspetto del test è stato progettato per un potenziale utilizzo anche nelle parti più remote del mondo, dove le attuali tecniche che richiedono attrezzature e competenze sofisticate non sono realizzabili. Ad esempio, l'essiccazione dei coloranti fluorescenti sulla carta di carta ha eliminato la necessità di utilizzare coloranti fluorescenti liquidi che avrebbero richiesto refrigerazione, spesso non disponibili nelle regioni a risorse limitate. La fotolitografia è stata utilizzata per "timbrare con foto" la griglia di cerchi sulla carta di carta, un modo rapido ed economico per produrre migliaia di carte. Durante i test, effettuati mettendo le carte in una scatola nell'armadio, le carte sono rimaste stabili per un massimo di sei mesi, rendendole ideali per la spedizione e la distribuzione in aree remote. Il modello sulla scheda è identico alle piastre a 96 pozzetti utilizzate per molti test che utilizzano componenti liquidi, il che consente di scansionare e leggere le schede di carta da macchine standard prontamente disponibili.
"Questo progetto è uno straordinario esempio di come realizzare qualcosa di semplice richieda l'uso di più tecnologie complesse", ha affermato Tatjana Atanasijevic, Ph.D., (responsabile del programma scientifico) del programma in sensori bioanalitici presso l'Istituto nazionale di imaging biomedico e bioingegneria (NIBIB), che ha cofinanziato il progetto insieme a numerosi altri istituti presso il National Institutes of Health.
Il lavoro è in fase di ricerca e sviluppo e il team sta testando e perfezionando il sistema utilizzando campioni che replicano ciò che verrebbe raccolto dai pazienti sul campo. Le future imprese tecniche nel mirino del team includono la collaborazione con gli ingegneri per creare un sistema che consenta di leggere la scheda cartacea da 96 punti con un dispositivo più semplice, forse anche la fotocamera di un cellulare:un obiettivo certamente elevato, ma fattibile ha spiegato Svechkarev.
Alla domanda sul lavoro, Mohs attribuisce lo straordinario sforzo di Svechkarev e Laliwala. "La tecnologia necessaria per creare questo sistema di rilevamento batterico è stata concepita durante la pandemia, quando avevamo un accesso limitato al laboratorio. Denis e Aayushi hanno usato questo tempo per sviluppare abilità che includevano nuovi metodi di codifica del computer, imparare a usare diversi tipi di intelligenza artificiale, e finalizzare la progettazione dei migliori coloranti fluorescenti, tutti elementi chiave che si sono uniti per costruire questo promettente sistema diagnostico". + Esplora ulteriormente
