Крошечные магнитные шарики производят оптический сигнал, который можно использовать для быстрого обнаружения болезнетворных микроорганизмов | Новости Массачусетского технологического института

Получение результатов анализа крови может занять от одного дня до недели, в зависимости от того, на что нацелен анализ. То же самое касается тестов на загрязнение воды и пищевых продуктов. И в большинстве случаев время ожидания связано с трудоемкими этапами обработки и анализа проб.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института обнаружили новую оптическую сигнатуру в широко используемом классе магнитных шариков, которую можно использовать для быстрого обнаружения загрязнений в различных диагностических тестах. Например, команда показала, что подпись можно использовать для обнаружения признаков загрязнения пищевых продуктов. Сальмонелла.

Так называемые Dynabeads представляют собой микроскопические магнитные шарики, которые могут быть покрыты антителами, которые связываются с молекулами-мишенями, например, с конкретным патогеном. Dynabeads обычно используются в экспериментах, в которых их смешивают с растворами для захвата интересующих молекул. Но после этого ученым придется предпринять дополнительные, трудоемкие шаги, чтобы подтвердить, что молекулы действительно присутствуют и связаны с шариками.

Команда Массачусетского технологического института нашла более быстрый способ подтвердить наличие патогенов, связанных с Dynabeads, используя оптику, в частности, рамановскую спектроскопию. Этот оптический метод идентифицирует конкретные молекулы на основе их «рамановской сигнатуры» или уникального способа, которым молекула рассеивает свет.

Исследователи обнаружили, что Dynabeads обладают необычайно сильной рамановской сигнатурой, которую можно легко обнаружить, подобно флуоресцентной метке. Они обнаружили, что эта подпись может выступать в роли «репортера». В случае обнаружения сигнал может служить быстрым, менее чем за час, подтверждением того, что целевой патоген действительно присутствует в данном образце. В настоящее время команда работает над созданием портативного устройства для быстрого обнаружения ряда бактериальных патогенов и сегодня сообщила о своих результатах в специальном выпуске журнала. Журнал рамановской спектроскопии.

«Этот метод был бы полезен в ситуации, когда врач пытается сузить источник инфекции, чтобы лучше назначать антибиотики, а также для обнаружения известных патогенов в пище и воде», — говорит соавтор исследования. Марисса Макдональд, аспирантка программы Гарвардского технологического института в области медицинских наук и технологий. «Кроме того, мы надеемся, что этот подход в конечном итоге приведет к расширению доступа к расширенной диагностике в средах с ограниченными ресурсами».

Среди соавторов исследования в Массачусетском технологическом институте — научный сотрудник Чонван Ли; Приглашенный ученый Никиве Мхланга; научный сотрудник Чон Ун Кан; Профессор Тата Рохит Карник, который также является заместителем директора Лаборатории водных и пищевых систем Абдула Латифа Джамиля; и доцент кафедры машиностроения Лоза Тадессе.

Масло и вода

Поиск больных клеток и патогенов в образцах жидкостей требует терпения.

«Это своего рода проблема с иголкой в ​​стоге сена», — говорит Тадессе.

Их количество настолько мало, что их необходимо выращивать в контролируемых условиях до достаточного количества, а их культуры окрашивать, а затем изучать под микроскопом. Весь процесс может занять от нескольких дней до недели, чтобы дать уверенный положительный или отрицательный результат.

Лаборатории Карника и Тадессе независимо друг от друга разрабатывают методы, позволяющие ускорить различные этапы процесса тестирования на патогены и сделать этот процесс портативным с помощью Dynabeads.

Dynabeads — это коммерчески доступные микроскопические шарики, изготовленные из магнитного железного сердечника и полимерной оболочки, которая может быть покрыта антителами. Поверхностные антитела действуют как крючки для связывания конкретных молекул-мишеней. При смешивании с жидкостью, например с кровью или водой, любые присутствующие молекулы оседают на Dynabeads. Используя магнит, ученые могут аккуратно притянуть шарики ко дну флакона и отфильтровать их из раствора. Лаборатория Карника изучает способы дальнейшего разделения шариков на те, которые связаны с целевой молекулой, и те, которые не связаны. «Тем не менее, проблема в том, как мы узнаем, что у нас есть то, что мы ищем?» — говорит Тадессе.

Сами бусины глазом не видны. Вот тут-то и пригодится работа Тадессе. Ее лаборатория использует рамановскую спектроскопию как способ «отпечатков пальцев» патогенов. Она обнаружила, что разные типы клеток рассеивают свет уникальными способами, которые можно использовать в качестве сигнатуры для их идентификации.

В новой работе команды она и ее коллеги обнаружили, что Dynabeads также обладают уникальной и сильной рамановской сигнатурой, которая может действовать как удивительно четкий маяк.

«Изначально мы стремились идентифицировать признаки бактерий, но сигнатуры Dynabeads на самом деле были очень сильными», — говорит Тадессе. «Мы поняли, что этот сигнал может быть средством сообщения вам, есть ли у вас эти бактерии или нет».

Тестирование маяка

В качестве практической демонстрации исследователи смешали Dynabeads со флаконами с водой, загрязненной Сальмонелла. Затем они магнитно изолировали эти шарики на предметных стеклах микроскопа и измерили, как свет рассеивается в жидкости под воздействием лазерного света. За полсекунды они быстро обнаружили рамановскую сигнатуру Dynabeads — подтверждение, связавшее Dynabeads, и, как следствие, Сальмонеллаприсутствовали в жидкости.

«Это то, что можно использовать, чтобы быстро дать положительный или отрицательный ответ: есть ли примеси или нет?» — говорит Тадессе. «Потому что даже несколько патогенов могут вызывать клинические симптомы».

Новая методика команды работает значительно быстрее, чем традиционные методы, и использует элементы, которые можно адаптировать в более мелкие и портативные формы — цель, над которой в настоящее время работают исследователи. Этот подход также очень универсален.

«Сальмонелла — это доказательство концепции», — говорит Тадессе. «Вы можете купить Dynabeads за кишечная палочка антитела, и произойдет то же самое: они свяжутся с бактериями, и мы сможем обнаружить сигнатуру Dynabead, потому что сигнал очень сильный».

Команда особенно заинтересована в применении этого теста к таким состояниям, как сепсис, где время имеет решающее значение и где патогены, вызывающие это состояние, не могут быть быстро обнаружены с помощью обычных лабораторных тестов.

«Во многих случаях, например, при сепсисе, патогенные клетки не всегда удается вырастить на чашке», — говорит Ли, сотрудник лаборатории Карника. «В этом случае наша техника сможет быстро обнаружить эти патогены».

Это исследование было частично поддержано Центром лазерных биомедицинских исследований Массачусетского технологического института, Национальным институтом рака и Лабораторией водных и пищевых систем Абдула Латифа Джамиля в Массачусетском технологическом институте.