07 мар 2023
Стэнфордский университет разрабатывает подход с помощью ИИ для анализа крови и сточных вод.
Спектроскопия комбинационного рассеяния, особенно в ее варианте с улучшенной поверхностью, является привлекательным подходом для быстрого обнаружения различных бактерий благодаря уникальному спектральному отпечатку, который различные молекулярные структуры генерируют с помощью этого метода.
Недавние исследования показали, что платформы комбинационного рассеяния применяются для диагностики Covid в местах оказания медицинской помощи и обнаружения бактерий туберкулеза, что является примером того, что Юрген Попп из Института фотонных технологий им. Лейбница назвал потенциалом комбинационного рассеяния «стать мощным аналитическим и диагностическим инструментом». “
В рамках проекта Стэнфордского университета в настоящее время разработан метод идентификации бактерий, который сочетает в себе рамановскую спектроскопию с усилением поверхности (SERS), машинное обучение и подход к представлению образцов с помощью биопечати. Работа была опубликована в Nano Letters.
Согласно проекту, новый метод может привести к быстрому, недорогому и более точному микробному анализу многих различных жидкостей в качестве альтернативы традиционным методам культивирования, которые могут занять часы или дни.
«Не только каждый тип бактерий демонстрирует уникальные световые узоры, но и практически каждая другая молекула или клетка в данном образце», — Фариха Сафир из Стэнфорда. «Красные кровяные тельца, лейкоциты и другие компоненты в образце посылают обратно свои собственные сигналы, что затрудняет, если не делает невозможным, отличить микробные узоры от шума других клеток».
Решение этой проблемы потребовало от команды подумать, как лучше всего изолировать клетки в очень маленьких образцах, вырезая как можно больше нежелательной спектральной информации. Ответ был заимствован из принципов струйной печати с использованием метода, называемого акустическим выбросом капель (ADE).
В ADE ультразвуковые волны фокусируются на границе раздела жидкость-воздух для создания радиационного давления, которое выбрасывает каплю с поверхности, при этом размер капли обратно пропорционален частоте преобразователя.
Технологии будущего для оказания медицинской помощи
Рамановская сторона платформы использует золотые наностержни для улучшения поверхности, вводя наностержни в жидкость образца, так что и бактерии, и наностержни осаждаются на предметное стекло с золотым покрытием с помощью операции акустической печати.
«Это первая демонстрация стабильной и точной высокочастотной акустической печати многокомпонентных образцов, напечатанных как из микробиологических объектов, так и из наночастиц», — прокомментировала команда в своей опубликованной статье.
В испытаниях анализ на основе комбинационного рассеяния применялся к образцам кишечная палочка и стафилококк бактерий, а также к образцам эритроцитов мышей. Алгоритмы машинного обучения, ранее обученные на однородных образцах клеток, затем использовались для идентификации спектральных характеристик комбинационного рассеяния различных видов.
Результаты показали более чем 99-процентную точность классификации для клеточно-чистых образцов и 87-процентную точность для клеточно-смешанных образцов. Испытания с золотыми наностержнями и без них подтвердили, что поверхностное усиление сигналов комбинационного рассеяния все еще происходит в образцах, напечатанных биопечатью, с зарегистрированным усилением до 1500 раз.
По словам команды, Стэнфордский метод может помочь продвинуть исследования, основанные на комбинационном рассеянии, клинической диагностике и лечении заболеваний, предлагая минимально инвазивное обнаружение биомаркеров на основе жидкости для будущих систем оказания медицинской помощи. Платформа также может быть применена к другим жидкостям, таким как питьевая вода, для мониторинга общественного здравоохранения.
«Это инновационное решение с потенциалом для спасения жизней, — сказал член команды Амр Салех. — Теперь мы рады возможностям коммерциализации, которые могут помочь переопределить стандарт обнаружения бактерий и характеристики отдельных клеток».
