בדיקת רגישות אנטי-מיקרוביאלית מהירה על ידי הדמיה מגורה של פיזור ראמאן של שילוב דאוטריום בחיידק יחיד

פרוטוקול זה מציג בדיקת רגישות אנטי-מיקרוביאלית מהירה (AST) תוך 2.5 שעות על ידי הדמיית פיזור ראמן מגורה בתא יחיד של חילוף החומרים של D₂O. שיטה זו חלה על חיידקים בשתן או בסביבת דם שלמה, שהיא טרנספורמטיבית עבור AST פנוטיפי מהיר של תא יחיד במרפאה.

כדי להאט ולמנוע התפשטות של זיהומים עמידים מיקרוביאלית, בדיקת רגישות אנטי-מיקרוביאלית מהירה (AST) זקוקה בדחיפות לקבוע כמותית את ההשפעות האנטי-מיקרוביאליות על פתוגנים. בדרך כלל לוקח ימים להשלים את ה- AST בשיטות קונבנציונליות המבוססות על התרבית הוותיקה, והן אינן פועלות ישירות עבור דגימות קליניות. כאן אנו מדווחים על שיטת AST מהירה המתאפשרת על ידי הדמיה מגורה של פיזור ראמאן (SRS) של שילוב מטבולי של תחמוצת דאוטריום (D₂O). שילוב מטבולי של D₂O בביומסה ועיכוב הפעילות המטבולית בעת חשיפה לאנטיביוטיקה ברמת החיידק הבודד מנוטרים על ידי הדמיית SRS. ריכוז ההשתקה של חילוף החומרים החד-תאי (SC-MIC) של חיידקים בעת חשיפה לאנטיביוטיקה יכול להתקבל לאחר סך של 2.5 שעות של הכנת דגימה וזיהויה. יתר על כן, שיטת AST מהירה זו ישימה ישירות על דגימות חיידקים בסביבות ביולוגיות מורכבות, כגון שתן או דם שלם. הדמיה מטבולית SRS של שילוב דאוטריום היא טרנספורמטיבית עבור AST פנוטיפי מהיר של תא יחיד במרפאה.

עמידות מיקרוביאלית (AMR) היא איום עולמי הולך וגובר על הטיפול היעיל במחלות זיהומיות¹. התחזית היא ש-AMR יגרום ל-10 מיליון מקרי מוות נוספים בשנה ולאובדן תוצר עולמי של 100 טריליון דולר עד 2050 אם לא תינקט פעולה למאבק בחיידקים עמידים לאנטיביוטיקה ^1,2. זה מדגיש את הצורך הדחוף בשיטות אבחון מהירות וחדשניות לבדיקת רגישות לאנטיביוטיקה (AST) של חיידקים זיהומיים כדי להאט את הופעתם של חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה ולהפחית את שיעור התמותה הקשור³. כדי להבטיח את התוצאה הקלינית הטובה ביותר האפשרית, חיוני להציג טיפול יעיל תוך 24 שעות. עם זאת, השיטה הנוכחית של תקן הזהב, כמו דיפוזיה של דיסק או שיטת דילול מרק, דורשת בדרך כלל לפחות 24 שעות עבור הליך קדם-דגירה עבור דגימות קליניות ועוד 16-24 שעות כדי להשיג את תוצאות הריכוז המעכב המינימלי (MIC). בסך הכל, שיטות אלה גוזלות זמן רב מכדי להנחות החלטה מיידית לטיפול במחלות זיהומיות במרפאה, מה שמוביל להופעתה והתפשטותה של עמידות מיקרוביאלית⁴.

שיטות AST גנוטיפיות, כגון טכניקות מבוססות תגובת שרשרת פולימראז (PCR)⁵, פותחו לזיהוי מהיר. טכניקות כאלה מודדות את הרצפים הגנטיים הספציפיים של ההתנגדות על מנת לספק תוצאות AST מהירות. הם אינם מסתמכים על תרבית תאים גוזלת זמן; עם זאת, נבדקים רק רצפים גנטיים ידועים ספציפיים עם עמידות. לכן, היישום שלה מוגבל מינים חיידקים שונים או מנגנונים שונים של התנגדות. כמו כן, הם לא יכולים לספק תוצאות MIC עבור החלטות טיפול ^6,7. חוץ מזה, שיטות פנוטיפיות חדשניות עבור AST מהיר נמצאות בפיתוח כדי להתגבר על מגבלות אלה⁸, כולל התקנים מיקרופלואידיים 9,10,11,12,13, התקנים אופטיים^14,15,16, AST פנוטיפי לכימות חומצות גרעין עותק מספר^17,18, ושיטות ספקטרוסקופיות של ראמאן ^19, 20,21,22,23,24. שיטות אלה מקצרות את הזמן להנחיית תוצאות AST, אולם רובן ישימות רק לחיידקים מבודדים, לא ישירות לדגימות קליניות, ועדיין דורשות קדם-דגירה ארוכת זמן.

בעבודה זו אנו מציגים שיטה לקביעה מהירה של רגישות חיידקים בשתן ובדם שלם באמצעות ניטור הפעילות המטבולית התאית על ידי הדמיית SRS. מים (H₂O) לוקחים חלק ברוב המכריע של תהליכי סינתזה ביומולקולריים חיוניים בתאים חיים. כאיזוטופולוג של מים, באמצעות תגובת חילופי H/D מזורזת אנזימים בין אטום המימן הפעיל חמצון-חיזור ב-NADPH לבין אטום D ב-D₂O, ניתן לשלב דאוטריום בביומסה בתוך תא^25,26. תגובת סינתזה של חומצות שומן מתווכת על ידי דאוטריום שכותרתו NADPH. השילוב של D₂O בתגובות של חומצות אמינו (AAs) גורם לייצור חלבון מפורק²⁶ (איור 1). בדרך זו, ניתן להשתמש בביומולקולות המכילות קשר C-D שזה עתה סונתז בתאים מיקרוביאליים בודדים כסמן פעילות מטבולית כללית שיש לזהות. כדי לקרוא קשרי C-D מסונתזים דה נובו, ספקטרוסקופיית ראמאן, כלי אנליטי רב-תכליתי המספק מידע כימי ספציפי וכמותי של ביומולקולות, נמצאת בשימוש נרחב כדי לקבוע רגישות מיקרוביאלית ולהפחית באופן משמעותי את זמן הבדיקה למספר שעות^27,28,29,30 . עם זאת, בשל היעילות הנמוכה האינהרנטית של תהליך פיזור ראמאן, הספקטרוסקופיה הספונטנית של ראמאן היא בעלת רגישות גילוי נמוכה. לכן, מאתגר להשיג תוצאות תמונה בזמן אמת באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן ספונטנית. פיזור ראמאן קוהרנטי (CRS), כולל פיזור ראמן קוהרנטי נגד סטוקס (CARS) ופיזור ראמאן מגורה (SRS), הגיע לרגישות גילוי גבוהה בגלל שדה האור הקוהרנטי כדי ליצור סדרי גודל גדולים יותר מאלה של ספקטרוסקופיית ראמאן ספונטנית, ובכך להפוך הדמיה כימית מהירה, ספציפית וכמותית ברמת התא הבודד 31,32,33,34,35 ,^36,37,38,39.

כאן, בהתבסס על העבודה האחרונה שלנו⁴⁰, אנו מציגים פרוטוקול לקביעה מהירה של הפעילות המטבולית והרגישות האנטי-מיקרוביאלית על ידי הדמיית femtosecond SRS C-D של שילוב D₂O של חיידקים במדיום הרגיל, בשתן ובסביבת הדם כולה ברמת התא הבודד. הדמיית Femtosecond SRS מאפשרת לנטר את ריכוז ההשבתה של חילוף החומרים של תא בודד (SC-MIC) נגד אנטיביוטיקה ברמת החיידק היחיד תוך 2.5 שעות. תוצאות SC-MIC מאומתות על-ידי בדיקת MIC סטנדרטית באמצעות מיקרו-דילול מרק. השיטה שלנו ישימה לקביעת רגישות אנטי מיקרוביאלית של חיידקי דלקת בדרכי השתן (UTI) ופתוגנים של זיהום בזרם הדם (BSI) עם זמן בדיקה קצר בהרבה בהשוואה לשיטה הקונבנציונלית, מה שפותח את ההזדמנות ל- AST פנוטיפי מהיר במרפאה ברמת התא הבודד.

השימוש בדגימות דם אנושיות הוא בהתאם להנחיות ה- IRB של אוניברסיטת בוסטון והמכונים הלאומיים לבריאות (NIH). באופן ספציפי, הדגימות הן מבנק והן מזוהות לחלוטין. דגימות אלה אינן נחשבות לנבדקים אנושיים על ידי משרד מועצת הביקורת המוסדית (IRB) באוניברסיטת בוסטון.

1. הכנת חיידקים ותמיסת מלאי אנטיביוטיקה

1. הכן את תמיסת המלאי של האנטיביוטיקה (גנטמיצין סולפט או אמוקסיצילין) בריכוז של 1 מ"ג/מ"ל המומס בממס מלח סטרילי1x עם אגירת פוספט (PBS) או דימתיל סולפוקסיד (DMSO) בצינורות מיקרו של 1.5 מ"ל. להמיס גנטמיצין סולפט בתמיסת PBS סטרילית ואמוקסיצילין בממס DMSO סטרילי. לאחר מכן, יש לאחסן את תמיסת האנטיביוטיקה בטמפרטורה של 2-8 מעלות צלזיוס כפי שהוצע.
2. כדי ליצור את D 2 O המכיל מדיית מרק מולר-הינטון (MHB) מותאמת קטיון, הוסף 220 מ"ג של בסיס ציר MHB ל-10 מ"ל של D 2 O כדי ליצור 100%D₂O המכיל מדיום. לעקר את הפתרון על ידי סינון עם מסננים של 200 ננומטר גודל נקבוביות.
   הערה: השתמש בפרוטוקול זה תמיד לייצור ועיקור פתרונות בינוניים בשלבים נוספים.
3. כדי להכין דגימות חיידקים להדמיית SRS, הוסף 2 מ"ל של מדיה MHB רגילה, שאינה מכילה דאוטריום, לצינור תרבית סטרילי בעל תחתית עגולה, ולאחר מכן חמם אותה מראש בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס.
4. השתמש בלולאה סטרילית כדי לבחור חיידק אחד (Escherichia coli BW 25113 או Pseudomonas aeruginosa ATCC 47085) מושבה מהתרבית הטרייה על צלחת אגר סויה טריפטית. לאחר מכן להשעות אותו במדיית התרבית שחוממה מראש ומערבלים בעדינות כדי להכין את תרחיף החיידקים.
5. דגירה של חיידקים בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס בשייקר ב-200 סיבובים לדקה (סל"ד) עד שהיא מגיעה לשלב הלוגריתמי.

2. D₂O שילוב טיפול בנוכחות אנטיביוטיקה (איור 2a)

1. בדוק את ריכוז החיידקים על ידי מדידת הצפיפות האופטית (OD) באמצעות פוטומטר באורך גל של 600 ננומטר.
2. דלל את התמיסה החיידקית באמצעות מדיום MHB רגיל, שאינו מכיל דאוטריום, כדי להגיע לריכוז תאים סופי של 8 x 10⁵ CFU / mL. מערבולת בעדינות כדי לערבב את תאי החיידקים.
3. הכן 300 μL aliquots של התמיסה החיידקית בשבעה צינורות מיקרו 1.5 מ"ל, ו 600 μL aliquots של התמיסה החיידקית בצינור מיקרו אחד 1.5 מ"ל.
4. הוסף 4.8 μL של תמיסת מלאי אנטיביוטית (gentamicin או amoxicillin) (1 מ"ג/מ"ל) לתוך צינור מיקרו המכיל 600 μL של תמיסת החיידקים, כדי להפוך את הריכוז האנטיביוטי הסופי ל 8 מיקרוגרם / מ"ל.
5. יש ליטול 300 מיקרוליטר של תמיסה מתוך 8 מיקרוגרם/מ"ל של תמיסת חיידקים המכילה אנטיביוטיקה, ולהוסיף לתמיסת חיידקים נוספת של 300 מיקרוגרם/מ"ל, כדי ליצור תמיסה אנטיביוטית מדוללת כפולה (4 מיקרוגרם למ"ל) המכילה חיידקים.
6. חזור על הדילול הסדרתי הכפול של אנטיביוטיקה בדיקה, gentamicin, או amoxicillin, עד צינור מיקרו עם הריכוז הנמוך ביותר (0.25 מיקרוגרם / מ"ל) הוא הגיע, ולהשליך 300 μL מן הצינור. הן עבור גנטמיצין והן עבור אמוקסיצילין, הריכוזים הסדרתיים נעים בין 0.25 מיקרוגרם למ"ל - 8 מיקרוגרם למ"ל.
   1. השאירו צינור אחד ללא אנטיביוטיקה לשליטה ריקה. זו תהיה הבקרה החיובית לבדוק את הפעילות המטבולית של החיידקים ללא טיפול אנטיביוטי אלא עם טיפול D₂O.
   2. השאירו צינור אחד ללא אנטיביוטיקה וללא D₂O לבקרה השלילית.
7. לדגום את החיידק אליקוט עם אנטיביוטיקה מסוימת (gentamicin או amoxicillin) המכילה מדיום MHB במשך שעה אחת.
8. במהלך הדגירה, הכינו דילול סדרתי של אנטיביוטיקה עם 100% D 2 O המכיל מדיום עם אותו שיפוע ריכוז של אנטיביוטיקה שהוכן בשלב_2.6. הן עבור גנטמיצין והן עבור אמוקסיצילין, הריכוזים הסדרתיים נעים בין 0.25 מיקרוגרם למ"ל - 8 מיקרוגרם למ"ל.
9. לאחר טיפול אנטיביוטי של שעה אחת, יש להוסיף 700 μL של אנטיביוטיקה מדוללת סדרתית ו-100% D 2 O המכילה MHB ל-300 μL של חיידקים שטופלו מראש באנטיביוטיקה באותו ריכוז אנטיביוטי (מוכן בשלב_2.6), בהתאמה.
   1. לדוגמה, להוסיף 700 μL של 100% D₂O המכיל מדיום MHB (המכיל 8 מיקרוגרם / מ"ל של אנטיביוטיקה) ל 300 μL של 8 מיקרוגרם / mL חיידקים שטופלו מראש אנטיביוטיקה. באותו אופן, להעביר את הצינורות המתאימים של הריכוז הבא, הומוגני על ידי pipetting למעלה ולמטה מספר פעמים.
   2. הוסף 700 μL של 100% D₂O ללא אנטיביוטיקה המכיל MHB בינוני ל 300 μL של חיידקים ללא אנטיביוטיקה (מוכן בשלב 2.6.1) כבקרה ריקה.
   3. דגירה ב-37°C בשייקר דגירה ב-200 סל"ד למשך 30 דקות נוספות.
      הערה: בשלב זה, הריכוז הסופי של D₂O במדיום עבור הבדיקה הוא 70%.
10. תחילה צנטריפוגה 1 מ"ל של אנטיביוטיקה ו D₂O דגימת חיידקים מטופלים ב 6200 x גרם במשך 5 דקות ב 4 מעלות צלזיוס, ולאחר מכן לשטוף פעמיים עם מים מטוהרים. לבסוף, לתקן דגימות בתמיסת 10% פורמלין ולאחסן אותם ב 4 מעלות צלזיוס.

3. הכנת חיידקים בסביבת שתן (איור 2b)

1. כדי להכין את E. coli BW 25113 בשלב הלוגריתמי, בצע את השלבים ב 1.4 ו 1.5.
2. בדוק את ריכוז החיידקים על ידי מדידת OD עם פוטומטר באורך גל של 600 ננומטר.
3. כדי לחקות את דגימות ה-UTI^{הקליניות 14,18,41,} יש להקפיץ את תמיסת E. coli ל-10 מ"ל של שתן נטול זיהוי כדי להגיע לריכוז תאים סופי של ^{10 6} CFU/mL.
4. סנן את השתן של E. coli באמצעות מסנן של 5 מיקרומטר, ולאחר מכן חלק את התמיסה החיידקית ב- 300 μL aliquots לשבע שפופרות מיקרו של 1.5 מ"ל, ו- 600 μL aliquots של התמיסה החיידקית בצינור מיקרו אחד של 1.5 מ"ל.
5. בצע טיפול משולבD 2 O בנוכחות אנטיביוטיקה ואיסוף דגימות כמתואר בשלבים הקודמים מ 2.4 עד 2.10.

4. הכנת חיידקים בסביבת הדם (איור 2c)

1. כדי להכין Pseudomonas aeruginosa ATCC 47085 בשלב הלוגריתמי, בצע את השלבים ב 1.4 ו 1.5.
2. כדי לחקות את הזיהומים הקליניים בזרם הדם דגימות^42,43, ספייק P. aeruginosa ב 1 מ"ל של דם אנושי deidentified להגיע לריכוז של 10⁷ CFU / mL.
3. הוסף 9 מ"ל של מים מטוהרים סטריליים כדי lyse את הדם.
4. סנן את הדם P. aeruginosa באמצעות מסנן 5 מיקרומטר. לאחר מכן קצירת חיידקים לנפח של 1 מ"ל על ידי צנטריפוגה ב 6200 x גרם במשך 5 דקות ב 4 מעלות צלזיוס.  הוסיפו 9 מ"ל של MHB רגיל שחומם מראש לתמיסת החיידקים ומערבל בעדינות. הריכוז הסופי של חיידקים הוא 10⁶ CFU/מ"ל
5. חלקו את תמיסת הדם המקוצרת P. aeruginosa ב-300 μL aliquots לשבעה צינורות מיקרו של 1.5 מ"ל, ו-600 μL aliquots של התמיסה החיידקית בצינור מיקרו אחד של 1.5 מ"ל.
6. בצע טיפול משולבD 2 O בנוכחות אנטיביוטיקה ואיסוף דגימות כמתואר בשלבים הקודמים מ 2.4 עד 2.10.

5. הדמיית SRS של שילוב מטבולי D₂O בחיידק יחיד

1. לשטוף 1 מ"ל של תמיסת חיידקים קבועים עם מים מטוהרים ולאחר מכן צנטריפוגה ב 6200 x גרם במשך 5 דקות ב 4 מעלות צלזיוס. הסר את הסופרנטנט. להעשיר את התמיסה החיידקית לכ-20 μL.
2. הפקד את תמיסת החיידקים על כיסוי מצופה פולי-L-ליזין. כריך ואטום את הדגימה להדמיית SRS.
3. דמיינו חיידקים בתדר הרטט C-D ב-2168 ס"^מ-1 באמצעות מיקרוסקופ SRS.
   1. הזן וכוונן את אורך הגל של המשאבה ל-852 ננומטר באמצעות תוכנת הבקרה במחשב.
   2. מדוד את עוצמת הלייזר באמצעות מד כוח. הגדר את עוצמת לייזר המשאבה בדגימה ל~8 mW ואת העוצמה של לייזר סטוקס בדגימה ל~40 mW על ידי התאמת צלחת חצי הגל לפני פלט הלייזר.
      הערה: במיקרוסקופ SRS, לייזר פמטו-שניות הניתן לכוונון עם קצב חזרות של 80 מגה-הרץ מספק את לייזרי העירור של המשאבה (680 עד 1300 ננומטר) וסטוקס (1045 ננומטר).
4. על ידי כוונון הברגים של מראות ההשתקפות, יישרו מרחבית את המשאבה ואת אלומות סטוקס והכוונו את שתי הקרניים למיקרוסקופ זקוף המצויד במערכת מראות גלבו דו-ממדית לסריקת לייזר.
   1. השתמש במטרה לטבול במים פי 60 כדי למקד את המשאבה ובלייזרים של סטוקס על הדגימה.
   2. השתמש במעבה שמן כדי לאסוף את האותות מהדגימה בכיוון קדימה.
   3. השתמש במסנן פס כדי לסנן את לייזר סטוקס לפני הפנייתו לפוטודיודה.
   4. חלץ את אות הראמן המגורה על ידי מגבר נעילה וזהה את האותות על ידי הפוטודיודה.
5. הגדר כל תמונת SRS כך שתכיל 200 x 200 פיקסלים וזמן השהייה של הפיקסלים הוא 30 μs בלוח הבקרה של התוכנה. זמן הרכישה הכולל עבור תמונה אחת הוא ~ 1.2 שניות. הגדר את גודל הצעד ל- 150 ננומטר, כך שגודל התמונה הוא בערך 30 x 30 מיקרומטר². תמונה של לפחות שלושה שדות תצוגה עבור כל דוגמה.

6. עיבוד תמונה וניתוח נתונים (איור 3)

1. כדי לקבל את עוצמת אות C-D הממוצעת, פתח ועבד תמונות SRS באמצעות תוכנת ImageJ.
2. תחילה, המירו תמונות SRS לתמונות מסוג 8 סיביות עם צבע הפוך בלחיצה על Image | סוג | 8 סיביות ולאחר מכן ערוך | הפוך לחצנים בתוכנת ImageJ.
3. לאחר מכן, סנן את התמונות עם טשטוש גאוס על ידי לחיצה על תהליך | מסננים | גאוס מטשטש כפתורים והגדר את הסיגמא (רדיוס) ל-1.
4. השתמשו בהתאמת סף התמונה כדי לבחור את אזור החיידקים. לחץ על תמונה | התאמת | סף כדי להבטיח שגדלי החיידקים שנבחרו יתאימו לאלה שבתמונות SRS המקוריות. בטל חלקיקים קטנים על ידי התאמת סף הגודל כדי לקבוע את החלקיקים. לחץ על החל.
5. החלת | ניתוח לחצני ניתוח חלקיקים כדי לסמן ולקבוע את אזור החיידקים.
6. על ידי לחיצה על הלחצן Show All במנהל החזר ההשקעה לתמונת ה-SRS המקורית שאינה מעובדת, תייג את אותו אזור של חיידקים, קבע את העוצמה הממוצעת של כל נקודת נתונים על-ידי לחיצה על לחצן מדידה במנהל החזר ההשקעה.
7. הקיפו בעיגול את אזור הרקע בתמונת ה-SRS המקורית ומדדו את העוצמה הממוצעת של הרקע. עוצמות C-D ממוצעות של כל חיידק מתקבלות על ידי ניכוי עוצמת אות הרקע.

7. כמות של רגישות מיקרוביאלית באמצעות SC-MIC

הערה: ערך החיתוך ב- 0.60 כדי לקבוע את ה- SC-MIC נקבע על פי הניתוח הסטטיסטי של עוצמות ה- SRS C-D של התנאים הפעילים בחילוף החומרים והמעוכבים בחילוף החומרים עבור חיידקים בריכוזים שונים של חשיפה לתרופות⁴⁰. עוצמות ה-C-D של הקבוצות הרגישות לאנטיביוטיקה והעמידות לאנטיביוטיקה הותאמו בחלוקה נורמלית.

1. התווה את עקומת מאפיין ההפעלה של המקלט (ROC) והערך את סף החיתוך ב- 0.60. בהתבסס על ערך חיתוך זה, ניתן להגדיר את ה- SC-MIC כאינדיקטור ליעילות האנטיביוטיקה כדי לקבוע את הקבוצה הלא פעילה מטבולית והפעילה מטבולית.
2. כדי לנתח באופן כמותי את נתוני ההדמיה של SRS, התווה את ההיסטוגרמות של עוצמות אות C-D עבור כל קבוצת חיידקים שטופלה בריכוז האנטיביוטיקה המדולל סדרתי. נקודות הנתונים הצבעוניות מייצגות חיידקים בודדים שונים.
3. לנרמל את עוצמות ה- C-D של הקבוצה המטופלת באנטיביוטיקה לעוצמה הממוצעת של קבוצת הביקורת ללא טיפול אנטיביוטי. קבע את תוצאות SC-MIC של חיידקים שונים ושילובי אנטיביוטיקה על ידי כימות עוצמות האות SRS באזור C-D לעומת ריכוזים שונים של אנטיביוטיקה באמצעות ערך החיתוך ב- 0.60.
4. אמת והשווה את קריאת SC-MIC עם המיקרופון שנקבע באמצעות בדיקת מיקרודילוציה קונבנציונלית של מרק.
5. על פי מכון התקנים הקליניים והמעבדתיים (CLSI), קטגוריית הרגישות המבוססת על תוצאות ההדמיה המטבולית של SRS עבור כל זן חיידקים שנבדק מתפרשת כ"רגיש", "עמיד", או "ביניים".

ההשפעה של זמן הדגירה על התאגדות דאוטריום נמדדת על-ידי מיקרוספקטרוסקופיית ראמאן ספונטנית באזור C-D (2070 עד 2250 ס"מ-1) ו-C-H (2,800 עד 3,100 ס"^מ-1) (איור 4a). ספקטרום הראמן החד-תאי בעל קיטועי הזמן של P. aeruginosa בתרבית ב-70% D₂O המכיל מדיום מראה עלייה בעוצמת CD/CH לאורך זמן הדגירה מ-0 עד 180 דקות.

סימון D₂O מעל 50% משפיע באופן משמעותי על חילוף החומרים של החיידקים במהלך תקופת דגירה^{של 23 שעות 27}. ראינו עיכוב גדילה של חיידקים כאשר ריכוז הסימון של D₂O הוא מעל 70% במהלך תקופת דגירה של 25 שעות (איור S1). ביצענו MIC על ידי דילול מרק בתקן זהב והשגנו תוצאות SC-MIC בשני זני P. aeruginosa (P. aeruginosa ATCC 47085 ו- P. aeruginosa 1133) (טבלה S1). התוצאות הנוכחיות שלנו מראות כי 70% D₂O אינו משפיע על הביצועים של השיטה שלנו ב P. aeruginosa. הסכם הקטגוריה של שיטת SC-MIC שלנו עם השיטה הקונבנציונלית המבוססת על תרבית הוא 100% עבור כל שילובי P. aeruginosa ואנטיביוטיקה שנבדקו, כפי שמוצג בטבלה S1. אנו מייחסים הסכם טוב זה לרעילות המינימלית של 70% D₂O על P. aeruginosa במהלך תקופת הדגירה של 30 דקות בקביעת SC-MIC.

בעקבות הפרוטוקול, P. aeruginosa הודגר עם גנטמיצין מדולל סדרתי במשך שעה אחת ולאחר מכן 70% D₂O למשך 30 דקות נוספות. עוצמות C-D על טיפול אנטיביוטי מחולקות בערך הממוצע של קבוצת הביקורת, שהיא ללא טיפול אנטיביוטי. הניתוח הסטטיסטי הכמותי (איור 5b) הראה כי אותות C-D של P. aeruginosa היו נמוכים משמעותית בריכוז של 2 מיקרוגרם/מ"ל או בריכוז גנטמיצין גבוה יותר מאשר ללא טיפול בגנטמיצין (0 מיקרוגרם/מ"ל). באמצעות סף החיתוך ב-0.60, ה-P. aeruginosa עוכב מטבולית ב-2 מיקרוגרם/מ"ל ובריכוזים גבוהים יותר של גנטמיצין. הקו המקווקו מציג את ערך החיתוך המוגדר ב- 0.60 באיור 5b. בדרך זו, SC-MIC עבור P. aeruginosa נגד gentamicin בתווך MHB רגיל נקבע להיות 2 מיקרוגרם / מ"ל. ערך SC-MIC זה מאומת כנמצא בטווח ההפרש החד-פעמי עם המיקרופון (4 מיקרוגרם/מ"ל) שנקבע על-ידי שיטת המיקרודילוציה של הציר (איור 5c). יחד, SC-MIC שנקבע על ידי הטכנולוגיה שלנו מאפשר כימות של רגישות מיקרוביאלית.

כדי לחקור את הפוטנציאל של AST מהיר על ידי הדמיית SRS של שילוב מטבולי של דאוטריום עבור יישומים קליניים, במיוחד עבור זיהום UTI הנפוץ ביותר, בדקנו דגימת שתן עם חיידקים באמצעות E. coli, הפתוגן הנפוץ ביותר הגורם לזיהום UTI⁴⁴. כדי לחקות את דגימות ה-UTI הקליניות בריכוז חיידקים רלבנטיים, מוסיפים E. coli לשתן הפגום לריכוז סופי של 10⁶ CFU/mL. לאחר טיהור הדגימה, דגימות השתן דוגרו עם אמוקסיצילין ו- D₂O. הרקע הנקי בתמונות SRS הראה שפרוטוקול הכנת הדגימה ישים למדידת AST מהירה (איור 5d). נקבע כי ה-SC-MIC של דגימת השתן של E. coli-spiked כנגד אמוקסיצילין הוא 4 מיקרוגרם/מ"ל (איור 5e), שיש לו את אותה קריאת רגישות עם ה-MIC (8 מיקרוגרם/מ"ל) בשיטת דילול מרק קונבנציונלית עבור E. coli טהור במדיום MHB רגיל (איור 5f). תוצאות אלה הראו באופן קולקטיבי כי AST מהיר על ידי הדמיית SRS של שילוב מטבולי דאוטריום הוא בעל פוטנציאל גדול לאבחון קליני לפתוגנים זיהומיים של UTI.

בהשוואה לזיהום UTI, AST מהיר עבור פתוגנים BSI הוא הרבה יותר מאתגר עבור מחקר in situ של פעילות מטבולית חיידקית, כמו הרבה תאי דם המוצגים בדם. כדי לחקור את הישימות של AST מהיר על ידי הדמיית SRS של שילוב מטבולי D₂O עבור דגימות BSI קליניות, P. aeruginosa spiked בדם אנושי deidentified זוהה. כפי שניתן לראות באיור 5g, עוצמת ה-C-D של תמונת SRS ב-2168 ס"מ-1 נשלטה ^על-ידי אותות חיידקיים. מאחר שלתאי הדם האדומים אין פעילות מטבולית לקליטת D₂O לצורך ביוסינתזה נוספת, אותות ה-C-D מקורם בשילוב דאוטריום מטבולי של חיידקים חיים. המודולציה הבין-פאזית או האות הפוטותרמי של פסולת או מיני תאי דם אדומים תרמו לאותות הרקע החלשים, מבלי להשפיע על הניתוח הכמותי של ה- SC-MIC. תוצאת ה-SC-MIC עבור P. aeruginosa בדם נקבעה כ-2 מיקרוגרם/מ"ל (איור 5h), מה שהסכים היטב עם תוצאת ה-MIC הסטנדרטית המקובלת עבור P. aeruginosa במדיום גדילה רגיל (איור 5i). יחד, תוצאות אלה הראו כי הדמיה מטבולית SRS של שילוב מטבולי דאוטריום יכול להיות שיטת AST מהירה כדי לקבוע את SC-MIC עבור חיידקים בזיהומים BIS.

איור 1: סכימה לשילוב D₂O בשומנים ובחלבון^25,26. דאוטריום יכול להיות משולב בביומסה בתוך התא באמצעות תגובת חילוף H/D מזורזת אנזימים בין אטום המימן הפעיל חמצון-חיזור ב-NADPH לבין אטום D ב-D₂O. תגובת סינתזה של חומצות שומן מדוכאות מתווכת על ידי דאוטריום שכותרתו NADPH. שילוב D₂O בתגובות של חומצות אמינו גורם לייצור חלבונים מפורקים. נתון זה שונה מ- ^ref.40. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2: זרימת עבודה של AST מהיר על-ידי הדמיה מטבולית SRS של שילוב דאוטריום. (א) טיפול משולב D₂O בנוכחות אנטיביוטיקה במדיום MHB, והליכי ההדמיה הבאים של SRS. (ב) הכנת חיידקים בסביבת שתן. (ג) הכנת חיידקים בסביבת הדם. נתון זה שונה מ- ^ref.40. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 3. עיבוד תמונה אוטומטי ופענוח נתונים. (א) תמונת SRS גולמית. (ב) תמונה לאחר התאמת סף העוצמה כדי לקבוע את אזור תאי החיידקים. (ג) נקודות נתונים שנבחרו לאחר שלב ניתוח החלקיקים. (ד) נקודות הנתונים המתאימות נבחרות בתמונה הגולמית. (ה) תוצאות נקודות הנתונים המתאימות בתמונה הגולמית. (ו) תוצאות סטטיסטיות של העוצמה הממוצעת של נקודות הנתונים לאחר חיסור הרקע. סרגל קנה מידה: 10 מיקרומטר. נתון זה שונה מ- ^ref.40. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

תרשים 4. השפעת זמן הדגירה על השתלבות דאוטריום בחיידקים. (א) מדידת קיטועי זמן באזור C-D (2070 עד 2250 ס"מ-1) ו-C-H (2,800 עד 3,100 ס"^מ-1) על ידי מיקרוספקטרוסקופיית ראמאן ספונטנית (ממוצע מ-20 ספקטרה). (ב) עלילת היסטוגרמה של יחס עוצמת CD/CH מתווה על פני זמן הדגירה של D₂O עבור חיידקים ב-(a). כל נקודה צבעונית מייצגת מדידה מחיידק יחיד. קווי שגיאה מייצגים את שגיאת התקן של הממוצע (SEM). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 5. קביעת SC-MIC באמצעות הדמיית SRS של שילוב מטבולי חיידקי של D₂O נגד אנטיביוטיקה בסביבה בינונית, שתן ודם רגילה. (א) הדמיית SRS ברטט C-D (2168 ס"^מ-1) ותמונות השידור המתאימות של P. aeruginosa בנוכחות D₂O עם תוספת של גנטמיצין מדולל סדרתי במדיום MHB רגיל. (ב) ניתוח כמותי של עוצמת SRS C-D של P. aeruginosa ב-(a). נקודות הנתונים הצבעוניות בהיסטוגרמה מייצגות את החיידק האינדיבידואלי השונה. הקו המקווקו מציין את ערך החיתוך ב- 0.60. (ג) ההשוואה של קריאת SC-MIC עם MIC לפי שיטת מיקרודילוציה של מרק, וקטגוריית רגישות עבור P. aeruginosa על פי CLSI. (ד) הדמיית SRS ברטט C-D (2168 ס"מ-1) ותמונות שידור תואמות של E. coli בשתן לאחר הדגירה ^ב-D ₂O עם אמוקסיצילין המדולל סדרתי. (ה) ניתוח כמותי של עוצמת SRS C-D ב-(ד). (ו) ההשוואה של קטגוריית הקריאה והרגישות של SC-MIC עבור E. coli ב-MHB תקין ובשתן. (ז) הדמיית SRS ברטט C-D (2168 ס"מ-1) ותמונות שידור תואמות של P. aeruginosa בדם לאחר הדגירה ^ב-D ₂O עם הגנטמיצין המדולל סדרתי. (ח) ניתוח כמותי של עוצמת SRS C-D ב-(g). (i) ההשוואה של קטגוריית הקריאה והרגישות של SC-MIC עבור P. aeruginosa ב-MHB תקין ובדם. S: רגיש. מספר התאים N ≥ 10 לכל קבוצה. קווי שגיאה מייצגים את SEM. סרגל קנה מידה: 10 מיקרומטר. נתון זה שונה מ- ^ref.40. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

טבלה 1: טבלת פתרון בעיות.

איור S1: בדיקת רעילות D 2 O על P. aeruginosa בתרבית במדיום לוריה-ברטני (LB) עם ריכוזים שונים של D₂O. קווי שגיאה מציינים ערכי סטיית תקן (מספר מדידות = 5). אנא לחץ כאן כדי להוריד נתון זה.

טבלה S1. השוואה בין SC-MICs ו- MICs ב- MHB רגיל של P. aeruginosa לאחר טיפול אנטיביוטי. S: רגיש; R: עמיד; אני: בינוני. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

ניתן להשיג AST מהיר על ידי הערכת התגובה של פעילות מטבולית חיידקית לטיפול אנטיביוטי באמצעות הדמיה מטבולית של SRS חד-תאי תוך 2.5 שעות מהדגימה לתוצאות SC-MIC. ניתן לזהות את התגובה של פעילות מטבולית חיידקית ורגישות מיקרוביאלית על ידי ניטור השילוב המטבולי של D₂O לסינתזה של ביו-מולקולות באמצעות הדמיית SRS של קשרי C-D. מאחר שמים נמצאים בשימוש בכל מקום בתאים חיים, הדמיה מטבולית של SRS מספקת שיטה אוניברסלית ל-AST מהיר. שיטת AST מהירה ישימה לאיתור חיידקים בסביבות ביולוגיות מורכבות, כגון שתן או דם שלם ברמת חיידק יחיד. ניתן לקבוע את ה- SC-MIC לאחר תרבית של 1.5 שעות של חיידקים בשתן ובדם, מה שנחשב טרנספורמטיבי כדי לשנות את הפרדיגמה של אבחון UTI ו- BSI מהליך תלוי תרבית גוזל זמן לגישה שאינה תלויה בתרבית באתרה . לכן, המשמעות היא קיצור עצום בזמן האבחון בהשוואה לשיטת המיקרודילוציה הקונבנציונלית של מרק, שסוללת את הדרך לתרגום קליני המאפשר זיהוי בזמן של חומרים אנטי-מיקרוביאליים מתאימים לטיפול מדויק.

הפרוטוקולים לטיפול באנטיביוטיקה המתוארים כאן עוקבים אחר ההנחיות של CLSI, שבו מדיום MHB המוצע יכול לשמש בדרך כלל לטיפוח של מגוון רחב של מיקרואורגניזמים. פרמטר מרכזי הוא שמספר תאי החיידקים המשמשים לבדיקת רגישות מיקרוביאלית נשמר על 5 x 10⁵ CFU/mL כפי שמומלץ ב- CLSI. יש לכך חשיבות קריטית להשגת תוצאות מדויקות וניתנות לשחזור. בניסויים לטיפול באנטיביוטיקה, ריכוז החיידקים נקבע על 8 x 10⁵ CFU / mL. ריכוז חיידקים גבוה יותר יכול להוביל לעלייה בתוצאות ה-MIC. לאחר התאמת מתלה החיידקים, יש להשתמש בו תוך 30 דקות כדי למנוע שינויים בריכוז תאי החיידקים.

לבדיקת רגישות של אנטיביוטיקה כגון דפטומיצין, מומלץ להשלים 50 מ"ג/ליטר סידן במדיה. מדיום MHB מותאם קטיון מכיל 20-25 מ"ג/ליטר של Ca²⁺. לכן, יש לוודא כי המדיום מתווסף לתוספת Ca²⁺ (מסולק במים ומסנן מעוקר) בריכוז של 30 מ"ג/ליטר.

שלב קריטי נוסף בשיטה המוצגת הוא זמן הדגירה של חיידקים בעת חשיפה לאנטיביוטיקה ושילוב D₂O. מאחר שזמן היצירה של מחזור החיים של החיידקים הוא בערך 30 עד 60 דקות, חשוב להשפיע על הפעילות המטבולית של החיידקים בעת חשיפה לאנטיביוטיקה למשך זמן מסוים. בדיקה זו הוערכה עבור מגוון שילובים חיידקים-אנטיביוטיקה לחשיפה לאנטיביוטיקה במשך שעה אחת לפני 0.5 שעות D₂O טיפול. השלב הראשון של שעה אחת בטיפול אנטיביוטי חיוני כדי להשפיע על הפעילות המטבולית של החיידקים. לאחר מכן, חיידקים מודגרים עם D₂O המכיל מדיום המכיל אנטיביוטיקה במשך 30 דקות נוספות. ריכוזי האנטיביוטיקה הסופיים נשמרים באותה רמה, והריכוז הסופי של D₂O מותאם ל -70%. בסך הכל, לאחר שעה אחת של קדם-תרבות אנטיביוטית ולאחר 0.5 שעות של D₂O ושילוב אנטיביוטיקה, תוצאות SC-MIC נקבעות לאחר מכן על ידי הדמיה מטבולית SRS של הפעילות המטבולית של החיידקים. תכנון זה ממזער את ההשפעה של השפעת D₂O של פעילות מיקרוביאלית על חיידקים וגם מוביל לקריאה דומה של תוצאות SC-MIC עם MICs בשיטה הקונבנציונלית.

במדידות SC-MIC אנו מכינים במקביל 40 דגימות, כולל 5 אנטיביוטיקות שונות, כל אחת עם 8 ריכוזים בו זמנית. עם זאת, מכיוון שיש הרבה נהלי פעולה ידניים, זמן הבדיקה הכולל לאיתור AST עבור חמישה שילובים שונים של חיידקים-אנטיביוטיקה ארוך מ-2.5 שעות. בשיטה שלנו, כל תמונת SRS המכילה ~20 תאי חיידקים בודדים התקבלה תוך ~1.0 שניות בצילום אחד בזמן שהייה של 30 מיקרוגרם פיקסל. אנו מעריכים שזמן הבדיקה הכולל של AST לחקר 10 אנטיביוטיקות עבור זן חיידקים אחד יהיה פחות מ-2.5 שעות מהדגימה ועד לקריאת SC-MIC, שיש לה אפשרות אדירה לבצע מדידת תפוקה גבוהה. בעבודה עתידית, ייעשה שימוש בשיטת הכנת דגימות אוטומטית ורכישת נתוני הדמיה כדי לשפר עוד יותר את התפוקה. פרטי פתרון הבעיות מופיעים בטבלה 1.

בשיטות AST קונבנציונליות מבוססות תרבית, כדי לקבל מבודדי חיידקים למדידות נוספות, יש צורך לדגור מראש דגימות קליניות במשך שעות. שיטות AST מתקדמות לדגימת UTI קלינית, כגון ספקטרוסקופיית ראמאן²⁹, מערך ננוליטר⁶ וכימות חומצות גרעין דיגיטליות¹⁸, פותחו כדי להיפטר מקדם-אינקובציה ארוכת שנים. בהשוואה לזיהום UTI, BSI או אלח דם הוא הרבה יותר מסכן חיים^18,45, שבו AST מהיר נחוץ בדחיפות לאבחון מדויק במרפאה. דווח כי שיטת הדמיה מיקרוסקופית למדידת היווצרות מושבות חיידקים מתרביות דם חיוביות מספקת תוצאות MIC⁴⁶. עם זאת, לוקח לפחות 6 שעות לגדל חיידקים כדי לבצע את בדיקת AST. יתר על כן, מערכות אוטומטיות מסחריות⁴⁷ וספקטרומטריית מסה ^48,49 אסטרטגיות יכולות לספק קריאת AST מתרביות דם חיוביות. עם זאת, לא ניתן לספק את תוצאות ה- MIC עבור ההחלטה הקלינית. תוצאות ה- AST וקריאת ה- MIC משמעותיות כדי למנוע מינון עודף של אנטיביוטיקה לחולים כדי לגרום לתופעות לוואי פוטנציאליות במרפאות, להאט ולמנוע את התפשטות הזיהומים העמידים למיקרוביאלית^50,51. בהשוואה לשיטות ה-AST הספונטניות הקיימות המבוססות על מיקרוסקופיית ראמאן, הטכנולוגיה שלנו מפחיתה מאוד את זמן רכישת הנתונים (בערך פי 600 פחות) עקב שיפור אותות בסדרי גודל. בעבודה זו, אנו מדגימים AST מהיר על ידי הדמיית SRS של חילוף חומרים של דאוטריום בחיידקים בודדים בריכוז חיידקים רלוונטי מבחינה קלינית (10⁵ ~ 10⁶ CFU / ml) בשתן או בסביבת דם שלמה. כפי שהוכח בתוצאות קודמות, תוצאות ה-MIC נקבעות לאחר טיפול אנטיביוטי של שעה ותערובת של 30 דקות של D₂O ודגירה של אנטיביוטיקה לחיידקים בשתן ובדם. השיטה שלנו יכולה לספק MICs וסיווג רגישות לכל שילוב זן-אנטיביוטיקה תוך 2.5 שעות, ולכן פותחת אפיק חדש לתרגום קליני. לסיכום, ללא צורך בפירוק וחלוקת חיידקים, לשיטה שלנו יש פוטנציאל עצום בתחום ה-AST המהיר והתפוקה הגבוהה במחלות זיהומיות.

שיטת SC-MIC שלנו על ידי הדמיה מטבולית SRS ישימה לזיהוי MICs ומספקת סיווג רגישות לפתוגנים זיהומיים בעת התמודדות עם זנים רבים של שילובי זן-אנטיביוטיקה לשימוש קליני. ה- SC-MIC נקבע לאחר 30 דקות של שילוב D₂O בחיידקים בשתן ובדם, מה שאומר הפחתה עצומה בזמן האבחון בהשוואה לשיטת דילול המרק הקונבנציונלית שעולה 16 עד 24 שעות עבור קדם-דגירה. כדי לספק מידע על זיהוי פתוגנים לקבלת החלטות קליניות, ניתן לשלב עוד יותר את טכנולוגיית ההדמיה המטבולית של SRS עם פלטפורמות אבחון המסוגלות לזהות פתוגנים מהירים, כגון, יינון לייזר בסיוע מטריצה - ספקטרומטריית מסה בזמן טיסה 49,52,53. שילוב של זיהוי פתוגנים באתרו ואבחון AST מהיר יכול להיות בעל פוטנציאל גדול לתרגום למרפאה המאפשר זיהוי בזמן של חומרים אנטי מיקרוביאליים מתאימים לטיפול מדויק.

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

עבודה זו נתמכה על ידי NIH R01AI141439 ל- J.-X.C ו- M.S, ו- R35GM136223 ל- J.-X.C.