スタンフォード大学、液体のバクテリア特定新方法

March, 24, 2023, Stanford--スタンフォード大学の研究者によると、旧いインクジェットプリンタ＋AIアシストイメージングで、その技術の革新的適用が、血液、排水などにバクテリアを見つける迅速かつ安価な方法につながる。

一滴の血液、粘液あるいは排水にレーザを照射すると、反射戻り光を使ってサンプル内のバクテリアを確実に特定できる。

「バクテリアが存在することを見つけ出せるだけでなく、サンプルに特定のどんなバクテリアが存在するかも見つけられる、E. coli, Staphylococcus, Streptococcus, Salmonella, 炭疽菌などだ」と材料科学、工学准教授, Jennifer Dionneは､説明している。「全ての病原菌は、それ独自の光学フィンガープリントをもっている。光で書かれた遺伝コードやプロテオミクスコードのようなのものだ」

今日、まだ使われている従来の培養法は、完了まで数日とは言わないまでも数時間かかる。結核菌の培養は40日だ。新しいテストは、数分でできる。感染のより優れた迅速な診断、抗生物質の利用改善、より安全な食品、強化された環境モニタリング、迅速な薬品開発を約束する、とチームは話している。

老犬と新しいトリック
ブレイクスルーは､バクテリアが、これら特別なフィンガープリントを表示することではない。それは、数10年前から知られていた。そうではなく、個々のサンプルからの反射光の目を眩ますようなアレイの中にそれらスペクトルをいかにして明らかにできるかという点にある。

「各タイプのバクテリアが固有の光パタンを明示するだけでなく、実質的に全ての他の分子、あるいは所与のサンプルの細胞も同様である。赤血球、白血球、サンプルの他の成分が、固有のシグナルを送り返してくるので、他の細胞のノイズから微生物のパタンを区別することは、不可能ではないが、難しい」とDionneラボのPh.D学生、Fareeha Safir は、説明している。

1ミリリットルの血液、雨粒程度が、数十億の細胞を含んでいる、そのうちのわずか数個が微生物の可能性がある。チームは、バクテリアだけから反射する光を分離、増幅する方法見つけなければならなかった。そのためにチームは、複数の驚くべき科学的正接に沿って冒険した、コンピューティングから40年前の技術、インクジェットプリンタを借用、われわれの時代の2つの最先端技術、ナノテクノロジーと人工知能を組み合わせた。

「他の信号からバクテリアスペクトルを分離するカギは、その細胞を極めて小さなサンプルに分離することである。われわれは、1個の大きなサンプルを調べる代わりに、数千の微小な血液ドットをプリントするためにインクジェットプリンティングの原理を利用する」とスタンフォード電気工学名誉教授Butrus “Pierre” Khuri-Yakub,は、説明している。同教授は、1980年代に最初のインクジェットプリンタ開発に貢献した。

「しかし、市販のインクジェットプリンタを手に入れて血液、排水を加えることはできない」とSafirは強調する。生物学的サンプル取扱で問題を回避するには、それを変更して、音響パルス使って紙にサンプルを乗せた。プリントされた血液の各ドットは、容積で1リットルの2兆分の1、つまり雨滴よりも10億倍以上小さい。そのスケールでは、液滴は数十の細胞をもつ程度に小さい。

さらに、研究者は、金ナノロッドをサンプルに注入した。それは、バクテリアがあれば、それに付着し、アンテナのように働き､バクテリアにレーザ光を引き寄せ、強化されていない力の1500倍程度に信号を増幅する。適切に分離、増幅するとバクテリアスペクトルは、科学的な痛む親指(scientific sore thumbs)のように突き出す。

パズルの最後のピースは、サンプル内のいかなるバクテリアの隠し通せぬシグネチャを見つけるために、プリントされた各液体ドットから反射される複数のスペクトルをMLを使って比較することである。

「それは、命を救うインパクトをもつ画期的なソリューションである。バクテリア検出、シングルセル評価の標準再定義に役立つ機会の商用化に喜んでいる」とカイロ大学、教授、Dionneラボの前ポスドク研究者、論文の共著者Amr Salehは､コメントしている。

この技術は、血液サンプルを使って作られ､完成されたが、Dionneは､他の種類の液体､バクテリア以外の標的細胞、にも適用可能と考えている。飲料水の純度テスト、あるいはウイルスを、より迅速、正確に検出、現在の方法よりも低コストで検出することなど。

(詳細は、https://news.stanford.edu)