Nanostructuri plasmonice crescute direct pe bacterii pentru diagnostic rapid
O echipă de cercetători de la Institutul de Știința Materialelor din Coreea (KIMS), condusă de cercetătoarea principală Minyoung Lee și de cercetătorul principal Sunggyu Park din Divizia de Cercetare a Materialelor Avansate pentru Bio și Sănătate, a dezvoltat o tehnologie de analiză prin difuzie Raman amplificată la suprafață (SERS), fără marcatori, care detectează rapid concentrații extrem de mici de bacterii viabile. Rezultatele au fost publicate în revista Small Methods.
Sepsisul este o afecțiune care pune viața în pericol, în care răspunsul dezechilibrat al organismului la o infecție duce la disfuncții ale organelor. Identificarea rapidă a agentului patogen și administrarea la timp a unui antibiotic eficient sunt esențiale. În fazele incipiente ale infecției, însă, concentrațiile de bacterii din fluxul sanguin pot fi extrem de reduse, ceea ce face dificilă detectarea directă. Testele convenționale de hemocultură necesită creșterea bacteriilor din proba de sânge înainte de identificarea agentului cauzator și a antibioticului potrivit, astfel încât rezultatele finale pot dura zeci de ore sau chiar câteva zile.
O abordare inversată față de metodele SERS clasice
Tehnicile SERS convenționale se confruntă cu o nepotrivire structurală: punctele fierbinți plasmonice au de obicei doar câțiva până la zeci de nanometri, în timp ce celulele bacteriene au aproximativ un micrometru. Prin urmare, doar o mică parte a suprafeței bacteriene poate intra în contact cu regiunea care amplifică semnalul. În loc să încerce poziționarea precisă a unei bacterii în punctele fierbinți nanometrice preexistente, echipa KIMS a inversat abordarea: a format direct nanostructuri metalice plasmonice pe și în jurul celulelor bacteriene, care servesc drept situri de nucleație, amplificând astfel semnalele Raman intrinseci ale bacteriilor fără a fi nevoie de agenți de marcare separați.
Cercetătorii au avansat tehnologia în trei etape: creșterea nanostructurilor în jurul bacteriilor în soluție, depunerea electrochimică directă a nanostructurilor metalice pe suprafețele bacteriene și, în final, integrarea separării și concentrării bacteriilor cu creșterea suplimentară in situ a nanostructurilor. Combinând spectrele SERS rezultate cu analiza bazată pe inteligență artificială, echipa a reușit să distingă opt specii diferite de bacterii.
Detectarea bacteriilor în urme și evaluarea răspunsului la antibiotice
Echipa a dezvoltat ulterior un substrat SERS integrat cu filtrare, care captează și concentrează bacteriile într-o zonă localizată și apoi crește nanostructuri plasmonice în jurul lor pentru a le amplifica semnalele. Prin integrarea separării, concentrării și detectării pe un singur substrat, platforma a detectat cu succes bacterii la concentrații de aproximativ 1–10 unități formatoare de colonii pe mililitru (CFU/mL), în decurs de o oră. Performanța de detectare a fost confirmată și în probe de ser și urină în care fuseseră adăugate bacterii.
De asemenea, prin analiza modificărilor semnalelor SERS după expunerea bacteriilor la antibiotice, cercetătorii au demonstrat potențialul de a evalua răspunsul la antibiotice în termen de două ore, pe baza variațiilor intensității semnalului asociate viabilității bacteriene.
Validarea clinică, următorul pas
În continuare, echipa intenționează să realizeze validarea clinică folosind probe de sânge de la pacienți cu infecții ale fluxului sanguin și sepsis. Scopul final este dezvoltarea unei platforme integrate de diagnostic rapid și de precizie, care să combine detectarea directă a patogenilor cu testarea sensibilității la antimicrobiene.
„Cheia acestei cercetări este că creștem direct nanostructuri acolo unde se află bacteriile și combinăm această abordare cu tehnologii de separare și concentrare pentru a depăși limitările detectării unor concentrații bacteriene extrem de scăzute”, a declarat Minyoung Lee. „Următorul nostru obiectiv este să identificăm rapid agenții patogeni cauzatori direct în probe de sânge de la pacienți cu infecții și să le evaluăm răspunsul la antibiotice, ajutând în final clinicienii să ia mai rapid decizii de tratament pentru sepsis”, a adăugat ea.
„Realizarea centrală a acestei lucrări este că am format direct nanostructurile plasmonice de amplificare a semnalului pe și în jurul suprafețelor bacteriene, depășind astfel o limitare structurală fundamentală a SERS convențional”, a declarat Sunggyu Park. „Intenționăm să dezvoltăm în continuare tehnologia într-o platformă de diagnostic ultrasensibilă pentru boli infecțioase, care să poată fi utilizată în cele din urmă în medii clinice reale”, a adăugat el.
