Haga brillar un láser sobre una gota de sangre, moco o aguas residuales, y la luz que se refleja se puede usar para identificar positivamente las bacterias en la muestra.
“Podemos averiguar no solo qué bacterias están presentes, sino específicamente qué bacterias están en la muestra: E. coli , Staphylococcus , Streptococcus, Salmonella , ántrax y más”, dijo Jennifer Dionne , profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales y , por cortesía, de radiología de la Universidad de Stanford. “Cada microbio tiene su propia huella digital óptica única. Es como el código genético y proteómico garabateado a la luz”.
Dionne es la autora principal de un nuevo estudio en la revista Nano Letters que detalla un método innovador que su equipo ha desarrollado y que podría conducir a ensayos microbianos más rápidos (casi inmediatos), económicos y más precisos de prácticamente cualquier fluido que se desee analizar en busca de microbios.
Los métodos de cultivo tradicionales que todavía se utilizan hoy en día pueden tardar horas, si no días, en completarse. Un cultivo de tuberculosis toma 40 días, dijo Dionne. La nueva prueba se puede realizar en minutos y promete mejores y más rápidos diagnósticos de infección, mejor uso de antibióticos, alimentos más seguros, mejor monitoreo ambiental y desarrollo de fármacos más rápido, dice el equipo.
Perros viejos, trucos nuevos
El avance no es que las bacterias muestren estas huellas dactilares espectrales, un hecho que se conoce desde hace décadas, sino cómo el equipo ha podido revelar esos espectros en medio de la cegadora matriz de luz que se refleja en cada muestra.
“No solo cada tipo de bacteria muestra patrones únicos de luz, sino que prácticamente todas las demás moléculas o células en una muestra determinada también lo hacen”, dijo la primera autora Fareeha Safir , estudiante de doctorado en el laboratorio de Dionne. “Los glóbulos rojos, los glóbulos blancos y otros componentes de la muestra envían sus propias señales, lo que dificulta, si no imposibilita, distinguir los patrones microbianos del ruido de otras células”.
Un mililitro de sangre, aproximadamente del tamaño de una gota de lluvia, puede contener miles de millones de células, de las cuales solo unas pocas pueden ser microbios. El equipo tuvo que encontrar una manera de separar y amplificar la luz que se refleja solo en las bacterias. Para hacer eso, se aventuraron a lo largo de varias tangentes científicas sorprendentes, combinando una tecnología de cuatro décadas prestada de la informática, la impresora de inyección de tinta, y dos tecnologías de vanguardia de nuestro tiempo, las nanopartículas y la inteligencia artificial.
“La clave para separar los espectros bacterianos de otras señales es aislar las células en muestras extremadamente pequeñas. Usamos los principios de la impresión de inyección de tinta para imprimir miles de pequeños puntos de sangre en lugar de interrogar una sola muestra grande”, explicó el coautor Butrus “Pierre” Khuri-Yakub, profesor emérito de ingeniería eléctrica en Stanford que ayudó a desarrollar la inyección de tinta original. impresora en la década de 1980.
“Pero no se puede obtener una impresora de inyección de tinta lista para usar y agregar sangre o aguas residuales”, enfatizó Safir. Para sortear los desafíos en el manejo de muestras biológicas, los investigadores modificaron la impresora para poner muestras en papel usando pulsos acústicos. Cada punto de sangre impresa tiene un volumen de solo dos billonésimas de litro, más de mil millones de veces más pequeño que una gota de lluvia. A esa escala, las gotas son tan pequeñas que pueden contener solo unas pocas docenas de células.
Además, los investigadores infundieron las muestras con nanovarillas de oro que se adhieren a las bacterias, si las hay, y actúan como antenas, atrayendo la luz láser hacia las bacterias y amplificando la señal unas 1500 veces su fuerza sin mejorar. Apropiadamente aislados y amplificados, los espectros bacterianos sobresalen como los pulgares doloridos de los científicos.
La pieza final del rompecabezas es el uso del aprendizaje automático para comparar los diversos espectros que se reflejan en cada punto de fluido impreso para detectar las firmas reveladoras de cualquier bacteria en la muestra.
“Es una solución innovadora con el potencial de un impacto que salva vidas. Ahora estamos entusiasmados con las oportunidades de comercialización que pueden ayudar a redefinir el estándar de detección bacteriana y caracterización unicelular”, dijo el coautor principal Amr Saleh, ex becario postdoctoral en el laboratorio de Dionne y ahora profesor en la Universidad de El Cairo.
Catalizador para la colaboración
Este tipo de colaboración interdisciplinaria es un sello distintivo de la tradición de Stanford en la que expertos de campos aparentemente dispares aportan su variada experiencia para resolver desafíos de larga data con impacto social.
Este enfoque particular surgió durante una reunión a la hora del almuerzo en un café del campus y, en 2017, estuvo entre los primeros destinatarios de una serie de subvenciones de $3 millones distribuidas por Catalyst for Collaborative Solutions de Stanford . Las subvenciones Catalyst están dirigidas específicamente a inspirar la toma de riesgos interdisciplinarios y la colaboración entre los investigadores de Stanford en campos de alta recompensa como la atención médica, el medio ambiente, la autonomía y la seguridad.
Si bien esta técnica se creó y perfeccionó utilizando muestras de sangre, Dionne confía igualmente en que se puede aplicar a otros tipos de fluidos y células diana más allá de las bacterias, como analizar la pureza del agua potable o quizás detectar virus más rápido, con mayor precisión y a menor costo. costo que los métodos actuales.
Fuente: A new way to identify bacteria in fluids