Биопленки — это плотные сообщества микроорганизмов, которые формируются на поверхности имплантатов, в ранах, на слизистых и медицинских инструментах. Внутри защитного матрикса бактерии почти не реагируют на иммунный ответ и остаются устойчивыми к антибиотикам. Это одна из главных причин, почему инфекции становятся хроническими и плохо поддаются лечению
Ученые Казанского федерального университета вместе с коллегами из Санкт-Петербургского электротехнического университета «ЛЭТИ» предложили способ быстро и без посева определять состав таких сообществ, сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ. В основе метода лежит гиперспектральный анализ, который регистрирует отраженный от поверхности свет в десятках диапазонов и формирует уникальный оптический профиль. Результаты опубликованы в журнале Analytica Chimica Acta.
Проблема в том, что биопленки почти всегда состоят из нескольких видов микробов. Их сочетания могут радикально менять свойства всей системы. Так, связка грибка Candida и золотистого стафилококка (S. aureus) повышает устойчивость к лечению, а комбинация стафилококка и синегнойной палочки (P. aeruginosa) иногда делает сообщество более чувствительным к антибиотикам. Поэтому для терапии важно знать не просто наличие инфекции, а точный состав микробного «коктейля».
Эксперименты показали, что каждая биопленка имеет собственный спектральный «отпечаток», а сигналы смешанных сообществ отражают их нелинейные взаимодействия. С помощью статистических моделей и нейросетей точность распознавания достигла 0,96−0,99 для типичных пар микроорганизмов.
Моделирование и биохимический анализ проводились в КФУ при поддержке Российского научного фонда, а спектральные измерения — в СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Пока не до конца ясно, что именно формирует этот профиль — химия матрикса или структура самой биопленки. Скорее всего, работает сразу несколько факторов.
В перспективе технология может лечь в основу портативных диагностических приборов. Врач сможет за несколько минут получить данные о составе биопленки прямо на поверхности раны или имплантата — вместо часов при ПЦР и дней при классическом посеве. Сейчас главный вопрос — чувствительность метода в реальных условиях и способность обнаруживать даже единичные десятки микробных клеток на ранних стадиях заражения.
Заведующий кафедрой генетики Высшей школы биологии Института фундаментальной медицины и биологии КФУ Айрат Каюмов рассказал Наука Mail о нюансах разработки.
— Насколько устойчив «оптический отпечаток» биопленки к внешним факторам — например, к изменениям влажности, температуры, наличию крови или лекарств на поверхности раны?
— Хотя данная тематика в мире развивается уже более 10 лет, все работы выполнены в модельных, идеальных условиях, и в настоящее время вопрос об устойчивости «оптического отпечатка» биопленки к внешним факторам открыт. Все эти тонкости еще предстоит выяснить, потому что наличие любой органики, а также изменение поверхности, на которой находятся бактерии, будут изменять условия отражения. Однако, если рассматривать задачу обнаружения биопленок на имплантатах, которые создаются из однородного материала, то в подобных приложениях искажения, скорее всего, будут минимальны.
— Можно ли по гиперспектральному профилю не только определить состав биопленки, но и судить о ее «состоянии» — стадии зрелости, активности роста или уровне устойчивости к антибиотикам?
— К сожалению, нет. Мы специально смотрели профиль различных изолятов одного и того же вида бактерии, т.е. бактерий одного вида, выделенных из разных источников, у них профиль совпадает, несмотря на разную восприимчивость к антибиотикам.
— Есть ли понимание, как именно будет выглядеть компактный гиперспектральный сканер? Фото или прототип устройства?
— В настоящее время уже есть серийные камеры, в том числе и переносные, и подключаемые к микроскопам, но это очень дорогое оборудование, так как изготавливается в малосерийных количествах. Однако если технология себя оправдает, то возможен выход на серийные производства и цена снизится.
— Как предлагается проводить анализ с помощью сканера не на поверхности кожи, а непосредственно в теле человека?
— Пока не могу сказать. Надо понимать, что это исследование — пока первый шаг, выявление потенциальной возможности подобной экспресс диагностики, именно распознавания состава смешанных сообществ бактерий.
— Как метод будет справляться с редкими или клинически нетипичными сочетаниями микроорганизмов, которые не входили в обучающую выборку нейросетей?
— В данным исследовании мы взяли наиболее 6 микроорганизмов, которые служили модельными. Для применения в реальной диагностике необходимо набирать базу возможных сообществ. С другой стороны, можно настроить нейросеть по принципу Open Set — когда все что не входит в распознаваемое будет идентифицироваться как «другое».
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что биологи и инженеры нашли бактерии, вызывающие увядание растений.
