JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biologia

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

Published: February 14, 2022
doi:
10.3791/62398
, ,
1Department of Electrical and Computer Engineering,Boston University, 2Boston University Photonics Center,Boston University, 3Department of Biomedical Sciences and Pathobiology, Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine,Virginia Polytechnic Institute and State University, 4Department of Biomedical Engineering,Boston University, 5Department of Chemistry,Boston University

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 אופטיים14,15,16, AST פנוטיפי לכימות חומצות גרעין עותק מספר17,18, 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 תא25,26. 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 שעות27,28,29,30 . 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.

Protocol

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 …

Representative Results

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 הדגיר?…

Discussion

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 ה?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Materials

Acousto-optic modulation Gooch&Housego R15180-1.06-LTD Modulating stokes laser beam
Amoxicillin Sigma Aldrich A8523-5G
Bandpass filter Chroma HQ825/150m Block the stokes laser beam before the photodiode
Calcium chloride Sigma Aldrich C1016-100G Cation adjustment
Cation-adjusted Mueller-Hinton Broth Fisher Scientific B12322 Antimicrobial susceptibility testing of microorganisms by broth dilution methods
Centrifuge Thermo Scientific 75002542
Cover Glasses VWR 16004-318
Culture tube with snap cap Fisher brand 149569B
Daptomycin Acros A0386346
Deuterium oxide 151882 Organic solvent to dissolve antibiotics
Deuterium oxide-d6 Sigma Aldrich 156914 Organic solvent as a standard to calibrate SRS imaging system
Escherichia coli BW 25113 The Coli Genetic Stock Center 7636
Eppendorf polypropylene microcentrifuge tubes 1.5 mL Fisher brand 05-408-129
Gentamicin sulfate Sigma Aldrich G4918
Hydrophilic Polyvinylidene Fluoride filters Millipore-Sigma SLSV025NB pore size 5 µm
ImageJ software NIH Version: 2.0.0-rc-69/1.52t Image processing and analysis
Incubating orbital shaker set at 37 °C VWR 97009-890
Inoculation loop Sigma BR452201-1000EA
InSight DeepSee femtosecond pulsed laser Spectra-Physics Model: insight X3 Tunable laser source and fixed laser source at 1045 nm for SRS imaging
Lock-in amplifier Zurich Instrument HF2LI Demodulate the SRS signals
Oil condenser Olympus U-AAC NA 1.4
Pseudomonas aeruginosa ATCC 47085 (PAO1) American Type Culture Collection ATCC 47085
Photodiode Hamamatsu S3994-01 Detector
Polypropylene conical tube 15 mL Falcon 14-959-53A
Polypropylene filters Thermo Scientific 726-2520 pore size 0.2 µm
Sterile petri dishes Corning 07-202-031
Syringe 10 mL Fisher brand 14955459
UV/Vis Spectrophotometer Beckman Coulter Model: DU 530 Measuring optical density at wavelength of 600 nm
Vortex mixer VWR 97043-562
Water objective Olympus UPLANAPO/IR 60×, NA 1.2
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. O’Neill, J. Tackling drug-resistant infections globally: final report and recommendations. The review on Antimicrobial Resistance. , (2016).
  2. Sugden, R., Kelly, R., Davies, S. Combatting antimicrobial resistance globally. Nature Microbiology. 1 (10), 16187 (2016).
  3. Kumar, A., et al. Duration of hypotension before initiation of effective antimicrobial therapy is the critical determinant of survival in human septic shock. Critical Care Medicine. 34 (6), 1589-1596 (2006).
  4. Reller, L. B., Weinstein, M., Jorgensen, J. H., Ferraro, M. J. Antimicrobial susceptibility testing: a review of general principles and contemporary practices. Clinical Infectious Diseases. 49 (11), 1749-1755 (2009).
  5. Frickmann, H., Masanta, W. O., Zautner, A. E. Emerging rapid resistance testing methods for clinical microbiology laboratories and their potential impact on patient management. BioMed Research International. 2014, 375681 (2014).
  6. Avesar, J., et al. Rapid phenotypic antimicrobial susceptibility testing using nanoliter arrays. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (29), 5787-5795 (2017).
  7. Schoepp, N. G., et al. Digital quantification of DNA replication and chromosome segregation enables determination of antimicrobial susceptibility after only 15 minutes of antibiotic exposure. Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9557-9561 (2016).
  8. van Belkum, A., et al. Innovative and rapid antimicrobial susceptibility testing systems. Nature Reviews Microbiology. 18 (5), 299-311 (2020).
  9. Hou, Z., An, Y., Hjort, K., Sandegren, L., Wu, Z. Time lapse investigation of antibiotic susceptibility using a microfluidic linear gradient 3D culture device. Lab on a Chip. 14 (17), 3409-3418 (2014).
  10. Choi, J., et al. Rapid antibiotic susceptibility testing by tracking single cell growth in a microfluidic agarose channel system. Lab on a Chip. 13 (2), 280-287 (2013).
  11. Lu, Y., et al. Single cell antimicrobial susceptibility testing by confined microchannels and electrokinetic loading. Analytical Chemistry. 85 (8), 3971-3976 (2013).
  12. Kim, S. C., Cestellosblanco, S., Inoue, K., Zare, R. N. Miniaturized antimicrobial susceptibility test by combining concentration gradient generation and rapid cell culturing. Antibiotics. 4 (4), 455-466 (2015).
  13. Choi, J., et al. A rapid antimicrobial susceptibility test based on single-cell morphological analysis. Science Translational Medicine. 6 (267), (2014).
  14. Baltekin, &. #. 2. 1. 4. ;., Boucharin, A., Tano, E., Andersson, D. I., Elf, J. Antibiotic susceptibility testing in less than 30 min using direct single-cell imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (34), 9170-9175 (2017).
  15. Fredborg, M., et al. Real-time optical antimicrobial susceptibility testing. Journal of Clinical Microbiology. 51 (7), 2047-2053 (2013).
  16. Choi, J., et al. A rapid antimicrobial susceptibility test based on single-cell morphological analysis. Science Translational Medicine. 6 (267), (2014).
  17. Barczak, A. K., Hung, D. T. RNA signatures allow rapid identification of pathogens and antibiotic susceptibilities. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (16), 6217-6222 (2012).
  18. Schoepp, N. G., et al. Rapid pathogen-specific phenotypic antibiotic susceptibility testing using digital LAMP quantification in clinical samples. Science Translational Medicine. 9 (410), (2017).
  19. Novelli-Rousseau, A., et al. Culture-free antibiotic-susceptibility determination from single-bacterium Raman spectra. Scientific Reports. 8 (1), 1-12 (2018).
  20. Schröder, U. -. C., et al. Detection of vancomycin resistances in enterococci within 3 1/2 hours. Scientific Reports. 5, 8217 (2015).
  21. Liu, C. -. Y., et al. Rapid bacterial antibiotic susceptibility test based on simple surface-enhanced Raman spectroscopic biomarkers. Scientific Reports. 6 (1), 1-15 (2016).
  22. Chang, K. -. W., et al. Antibiotic susceptibility test with surface-enhanced raman scattering in a microfluidic system. Analytical Chemistry. 91 (17), 10988-10995 (2019).
  23. Galvan, D. D., Yu, Q. surface-enhanced raman scattering for rapid detection and characterization of antibiotic-resistant bacteria. Advanced Healthcare Materials. 7 (13), 1701335 (2018).
  24. Kirchhoff, J., et al. Simple ciprofloxacin resistance test and determination of minimal inhibitory concentration within 2 h using raman spectroscopy. Analytical Chemistry. 90 (3), 1811-1818 (2018).
  25. Zhang, Z., Chen, L., Liu, L., Su, X., Rabinowitz, J. D. Chemical basis for deuterium labeling of fat and NADPH. Journal of the American Chemical Society. 139 (41), 14368-14371 (2017).
  26. Shi, L., et al. Optical imaging of metabolic dynamics in animals. Nature Communications. 9 (1), 2995 (2018).
  27. Berry, D., et al. Tracking heavy water (D2O) incorporation for identifying and sorting active microbial cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (2), 194-203 (2015).
  28. Tao, Y., et al. Metabolic-activity-based assessment of antimicrobial effects by D2O-labeled single-cell raman microspectroscopy. Analytical Chemistry. 89 (7), 4108-4115 (2017).
  29. Yang, K., et al. Rapid antibiotic susceptibility testing of pathogenic bacteria using heavy water-labeled single-cell raman spectroscopy in clinical samples. Analytical Chemistry. 91 (9), 6296-6303 (2019).
  30. Song, Y., et al. Raman-Deuterium Isotope Probing for in-situ identification of antimicrobial resistant bacteria in Thames River. Scientific reports. 7 (1), 16648 (2017).
  31. Freudiger, C. W., et al. Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science. 322 (5909), 1857-1861 (2008).
  32. Cheng, J. -. X., Xie, X. S. Vibrational spectroscopic imaging of living systems: An emerging platform for biology and medicine. Science. 350 (6264), (2015).
  33. Zhang, C., Zhang, D., Cheng, J. -. X. Coherent Raman scattering microscopy in biology and medicine. Annual Review of Biomedical Engineering. 17, 415-445 (2015).
  34. Yue, S., Cheng, J. -. X. Deciphering single cell metabolism by coherent Raman scattering microscopy. Current Opinion in Chemical Biology. 33, 46-57 (2016).
  35. Hu, F., Shi, L., Min, W. Biological imaging of chemical bonds by stimulated Raman scattering microscopy. Nature Methods. 16 (9), 830-842 (2019).
  36. Ji, M., et al. Rapid, Label-free detection of brain tumors with stimulated Raman scattering microscopy. Science Translational Medicine. 5 (201), (2013).
  37. He, R., Liu, Z., Xu, Y., Huang, W., Ma, H., Ji, M. Stimulated Raman scattering microscopy and spectroscopy with a rapid scanning optical delay line. Optics Letters. 42 (4), 659-662 (2017).
  38. Suzuki, Y., et al. Label-free chemical imaging flow cytometry by high-speed multicolor stimulated Raman scattering. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (32), 15842-15848 (2019).
  39. Camp, C. H., et al. High-Speed Coherent Raman Fingerprint Imaging of Biological Tissues. Nature Photonics. 8, 627-634 (2014).
  40. Zhang, M., et al. Rapid determination of antimicrobial susceptibility by stimulated raman scattering imaging of D2O metabolic incorporation in a single bacterium. Advanced Science. 7 (19), 2001452 (2020).
  41. Michael, I., et al. A fidget spinner for the point-of-care diagnosis of urinary tract infection. Nature Biomedical Engineering. 4 (6), 591-600 (2020).
  42. Bhattacharyya, R. P., et al. Simultaneous detection of genotype and phenotype enables rapid and accurate antibiotic susceptibility determination. Nature Medicine. 25 (12), 1858-1864 (2019).
  43. Stupar, P., et al. Nanomechanical sensor applied to blood culture pellets: a fast approach to determine the antibiotic susceptibility against agents of bloodstream infections. Clinical Microbiology and Infection. 23 (6), 400-405 (2017).
  44. Barber, A. E., Norton, J. P., Spivak, A. M., Mulvey, M. A. Urinary Tract Infections: Current and Emerging Management Strategies. Clinical Infectious Diseases. 57 (5), 719-724 (2013).
  45. Cohen, J., et al. Sepsis: a roadmap for future research. The Lancet Infectious Diseases. 15 (5), 581-614 (2015).
  46. Choi, J., et al. rapid antimicrobial susceptibility test from positive blood cultures based on microscopic imaging analysis. Scientific Reports. 7 (1), 1148 (2017).
  47. Gherardi, G., et al. Comparative evaluation of the Vitek-2 Compact and Phoenix systems for rapid identification and antibiotic susceptibility testing directly from blood cultures of Gram-negative and Gram-positive isolates. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease. 72 (1), 20-31 (2012).
  48. Machen, A., Drake, T., Wang, Y. F. Same day identification and full panel antimicrobial susceptibility testing of bacteria from positive blood culture bottles made possible by a combined lysis-filtration method with MALDI-TOF VITEK mass spectrometry and the VITEK2 system. Plos One. 9, 87870 (2014).
  49. Simon, L., et al. Direct identification of 80 percent of bacteria from blood culture bottles by matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry using a 10-minute extraction protocol. Journal of Clinical Microbiology. 57 (2), 01278 (2019).
  50. Leekha, S., Terrell, C. L., Edson, R. S. General principles of antimicrobial therapy. Mayo Clinic Proceedings. 86 (2), 156-167 (2011).
  51. Johnson, L., et al. Emergence of fluoroquinolone resistance in outpatient urinary Escherichia coli isolates. The American Journal of Medicine. 121 (10), 876-884 (2008).
  52. Van Belkum, A., et al. Developmental roadmap for antimicrobial susceptibility testing systems. Nature Reviews Microbiology. 17 (1), 51-62 (2019).
  53. Dubourg, G., Lamy, B., Ruimy, R. Rapid phenotypic methods to improve the diagnosis of bacterial bloodstream infections: meeting the challenge to reduce the time to result. Clinical Microbiology and Infection. 24 (9), 935-943 (2018).

Tags

Keywords: Rapid Antimicrobial Susceptibility TestingStimulated Raman ScatteringDeuterium IncorporationSingle BacteriumBacterial ConcentrationOptical DensityColony Forming UnitsAntibioticMHB MediumSerial DilutionPositive ControlNegative ControlIncubationHomogenization
check_url/it/62398?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Zhang, M., Seleem, M. N., Cheng, J. Rapid Antimicrobial Susceptibility Testing by Stimulated Raman Scattering Imaging of Deuterium Incorporation in a Single Bacterium. J. Vis. Exp. (180), e62398, doi:10.3791/62398 (2022).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image