研究人员开发出一种识别液体中细菌的新方法

将激光照射在一滴血、粘液或废水上，反射回来的光可用于对样本中的细菌进行阳性鉴定。

材料科学与工程副教授JenniferDionne说：“我们不仅可以发现细菌的存在，还可以发现样品中具体含有哪些细菌——大肠杆菌、葡萄球菌、链球菌、沙门氏菌、炭疽菌等。”并且，出于礼貌，斯坦福大学的放射学专业。“每种微生物都有自己独特的光学指纹。这就像在光中涂写的遗传和蛋白质组密码。”

Dionne是《纳米快报》(NanoLetters)杂志上一项新研究的资深作者，该研究详细介绍了她的团队开发的一种创新方法，这种方法可以更快(几乎立即)、更便宜、更准确地对几乎任何人们可能想要检测微生物的液体进行微生物检测。

今天仍在使用的传统培养方法可能需要数小时甚至数天才能完成。结核病培养需要40天，Dionne说。该团队表示，新测试可以在几分钟内完成，并有望更好更快地进行感染诊断、改进抗生素的使用、更安全的食品、加强环境监测以及更快的药物开发。

老狗，新把戏

突破并不在于细菌显示出这些光谱指纹，这是几十年来为人所知的事实，而在于该团队如何在每个样本反射的令人眼花缭乱的光阵列中揭示这些光谱。

“不仅每种细菌都表现出独特的光模式，而且给定样本中几乎所有其他分子或细胞也表现出独特的光模式，”第一作者、Dionne实验室的博士生FareehaSafir说。“样本中的红细胞、白细胞和其他成分正在发回它们自己的信号，这使得很难甚至不可能将微生物模式与其他细胞的噪音区分开来。”

镀金载玻片(a)上印刷点的细节，其中单个点的特写镜头中的假着色显示红色为红色，蓝色为表皮葡萄球菌。研究人员还在涂有琼脂的载玻片(b)上打印，以显示这些点在孵化过程中的表现。

镀金载玻片(a)上印刷点的细节，其中单个点的特写镜头中的假着色显示红色为红色，蓝色为表皮葡萄球菌。研究人员还在涂有琼脂的载玻片(b)上打印，以显示这些点在孵化过程中的表现。图片来源：FareehaSafir/斯坦福大学

一毫升血液——大约一滴雨滴大小——可以包含数十亿个细胞，其中只有少数可能是微生物。该团队必须找到一种方法来分离和放大仅从细菌反射的光。为了做到这一点，他们沿着几个令人惊讶的科学切线冒险，将一项从计算中借来的已有40年历史的技术——喷墨打印机——与我们这个时代的两项尖端技术——纳米粒子和人工智能结合起来。

“将细菌光谱与其他信号分离的关键是在极小的样本中分离细胞。我们使用喷墨打印的原理来打印数千个微小的血液点，而不是询问一个大样本，”共同作者Butrus“Pierre”Khuri-Yakub解释说，他是斯坦福大学电气工程名誉教授，帮助开发了最初的喷墨打印机80年代的打印机。

“但你不能只买一台现成的喷墨打印机并添加血液或废水，”Safir强调说。研究人员修改了打印机，使用声脉冲将样本打印到纸上，以规避处理生物样本的挑战。打印出来的每个血点的体积只有一升的万亿分之二——比雨滴小十亿倍以上。液滴是如此之小，以至于它们只能容纳几十个这种规模的细胞。

此外，研究人员将金纳米棒注入样品中，如果存在的话，这些金纳米棒会附着在细菌上，并像天线一样，将激光引向细菌，并将信号放大到其未增强强度的大约1500倍。适当分离和放大后，细菌光谱就像科学大拇指一样突出。

难题的最后一部分是使用机器学习来比较从每个打印的流体点反射的几个光谱，以发现样本中任何细菌的指示性特征。

“这是一种具有挽救生命潜力的创新解决方案。我们现在为商业化机会感到兴奋，这可以帮助重新定义细菌检测和单细胞表征的标准，”高级合著者AmrSaleh说，他曾是Dionne实验室的博士后学者，现在是开罗大学的教授。

合作的催化剂

这种跨学科合作是斯坦福传统的标志，来自看似不同领域的专家利用他们不同的专业知识来解决具有社会影响的长期挑战。

这种特殊的方法是在校园咖啡馆的一次午餐会议上孵化出来的。2017年，成为斯坦福协作解决方案催化剂发放的一系列300万美元赠款的首批获得者之一。催化剂拨款专门旨在激发斯坦福大学研究人员在医疗保健、环境、自治和安全等高回报领域的跨学科冒险和合作。

虽然这项技术是使用血液样本创建和完善的，但Dionne同样相信它可以应用于细菌以外的其他液体和目标细胞，例如测试饮用水的纯度，或者可能比现在更快、更准确且成本更低地发现病毒方法。