Bakteriella infektioner är den vanligaste orsaken till sjukdomar och dödsfall över hela världen; ett pågående folkhälsoproblem som förvärras av långsam eller felaktig diagnostik. Nu har NIBIB-finansierade forskare konstruerat ett billigt, pappersbaserat test som snabbt kan identifiera flera typer av bakterier.

Forskargruppen vid University of Nebraska använde en komplex blandning av mikrobiologi, kemi och artificiell intelligens (AI) för att skapa en testplattform som verkar bedrägligt lågteknologisk – byggd för användning i avlägsna miljöer med låga resurser som fältsjukhus och landsbygd. kliniker.

"Vi har designat den här tekniken för att vara extremt känslig och exakt för att identifiera bakteriearter samtidigt som den är lätt att tillverka", förklarade Denis Svechkarev, Ph.D., forskningsassistent vid avdelningen för farmaceutiska vetenskaper och medförfattare till artikeln. med doktoranden Aayushi Laliwala. "Testet är också tillräckligt hållbart för att överleva frakt till avlägsna platser och tillräckligt enkelt för att lätt kunna användas av sjukvårdspersonal med begränsad utbildning och utrustning."

Arbetet bedrivs i laboratoriet av Aaron M. Mohs, Ph.D., docent vid avdelningen för farmaceutiska vetenskaper och senior författare på publikationen, som publicerades i tidskriften Analytical Chemistry den 24 januari.

Den "enkla" plattformen, som är i utvecklings- och teststadiet med hopp om att eventuellt användas inom fältet, har ett komplext namn, "Paper-Based Ratiometric Fluorescent Sensor Array." Om storleken på ett 3 x 5 kort är papperssensorn "arrayad" med ett rutnät av små cirklar på vilka de bakterieprover som ska testas appliceras. Den "ratiometriska fluorescerande" delen av namnet syftar på det geniala sättet att identifiera bakterierna.

Forskargruppen designade och syntetiserade fluorescerande färgämnen som kan "känna" de subtila biokemiska skillnaderna mellan varje typ av bakterie och förvandla dessa skillnader till olika fluorescerande signaler. Fyra olika fluorescerande färgämnen torkas på fyra cirklar på arrayen som omfattar ett enda test. Ett bakterieprov, såsom e coli, placeras på var och en av de fyra cirklarna och färgämnena aktiveras med ultraviolett ljus vilket resulterar i att de fyra färgämnena vardera skickar ut fem fluorescerande signaler för totalt 20 fluorescerande signaler per test.

En fluorescerande plattläsare skannar de 20 fluorescerande signalerna, som varierar beroende på färgämnenas interaktion med bakteriens yttre membran. Ett toppmodernt AI-program - i form av ett artificiellt neuralt nätverk - tränades för att känna igen det subtila men specifika mönstret av fluorescerande intensiteter som skapas av varje typ av bakterier. Resultatet är ett "signatur" fluorescerande mönster som överförs från läsaren till det artificiella neurala nätverksprogrammet, som identifierar typen av bakterier.

I samarbete med mikrobiologerna, Drs. Marat R. Sadykov och Kenneth W. Bayles, teamet testade systemet med en samling av 16 bakteriearter. Systemet identifierade de 16 arterna korrekt mer än 90 % av gångerna – en noggrannhetsnivå som skulle kunna ge en sjukvårdspersonal i fältet värdefull information om de specifika bakterierna hos en infekterad individ, vilket möjliggör exakt, snabb antibiotikabehandling. Testet fastställde också om bakterierna var grampositiva eller negativa med 95 % noggrannhet. Gramtestning är en teknik som ytterligare bestämmer sammansättningen av bakterier och är avgörande för att veta vilka typer av antibiotika som är mest effektiva. Noggrannheten i testet var extremt lovande med tanke på att några timmars försening vid diagnos och behandling av en infektionssjukdom dramatiskt försämrar patientens prognos.

Varje aspekt av testet utformades för potentiell användning även i de mest avlägsna delarna av världen, där nuvarande tekniker som kräver sofistikerad utrustning och expertis inte är genomförbara. Till exempel, att torka de fluorescerande färgämnena på papperskortet tog bort behovet av att använda flytande fluorescerande färgämnen som skulle kräva kylning - ofta otillgängliga i områden med låga resurser. Fotolitografi användes för att "fotostämpla" rutnätet av cirklar på papperskortet - ett snabbt och billigt sätt att tillverka tusentals kort. Vid testning – som gjordes genom att placera korten i en låda i garderoben – förblev korten stabila i upp till sex månader, vilket gjorde dem idealiska för frakt och distribution till avlägsna områden. Mönstret på kortet är identiskt med plattorna med 96 brunnar som används för många tester som använder flytande komponenter, vilket gör att papperskorten kan skannas och läsas av lättillgängliga standardmaskiner.

"Det här projektet är ett extraordinärt exempel på hur att göra något enkelt kräver användning av flera komplexa teknologier", säger Tatjana Atanasijevic, Ph.D., (Scientific Program Manager) för programmet i bioanalytiska sensorer vid National Institute for Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB), som medfinansierade projektet tillsammans med flera ytterligare institut vid National Institutes of Health.

Arbetet är i forsknings- och utvecklingsstadiet och teamet testar och förfinar systemet med hjälp av prover som replikerar vad som skulle samlas in från patienter i fält. Framtida tekniska bedrifter i teamets hårkors inkluderar att arbeta med ingenjörer för att skapa ett system som skulle göra det möjligt för papperskortet med 96 punkter att läsas med en enklare enhet, kanske till och med en mobiltelefonkamera – ett visserligen högt mål, men genomförbart förklarade Svechkarev.

På frågan om arbetet ger Mohs kredit för Svechkarevs och Laliwalas extraordinära insats. "Tekniken som behövdes för att skapa detta bakteriella detektionssystem skapades under pandemin när vi hade begränsad tillgång till laboratoriet. Denis och Aayushi använde denna tid för att utveckla färdigheter som inkluderade nya datorkodningsmetoder, lära sig hur man använder olika typer av artificiell intelligens, och slutföra designen av de bästa fluorescerande färgämnena – alla nyckelelement som gick samman för att bygga detta lovande diagnostiska system." + Utforska vidare

Visualisera de inre avdelningarna i levande växtceller med fluorescerande naftalimidfärgämnen