Разработан метод неинвазивной идентификации биопленок по "оптическому отпечатку"

КАЗАНЬ, 27 января. /ТАСС/. Исследователи Казанского федерального университета (КФУ) и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" разработали метод неинвазивной идентификации биопленок - микробных сообществ, устойчивых к антибиотикам. Полученные данные открывают путь к персонализированной терапии бактериальных инфекций, сообщили ТАСС в пресс-службе Минобрнауки РФ.

"Ученые продемонстрировали, как гиперспектральный анализ - технология "оптического отпечатка" способен в режиме реального времени определять видовой состав бактериальных сообществ, биопленок, и выявлять наличие в них опасных микроорганизмов, что является ключом к эффективному лечению инфекций", - говорится в сообщении.

Как пояснили ученые, биопленки - это сложные структуры, в которых сообщества микроорганизмов защищены внеклеточным полимерным матриксом. Они часто являются причиной хронических инфекций и неудач терапии, особенно когда состоят из нескольких видов микробов. В таком случае между бактериями возникают сложные взаимодействия, которые могут кардинально менять свойства всего сообщества. Поэтому для эффективного лечения критически важно быстро и точно определить состав микробного альянса.

Основная цель работы - оценка возможности гиперспектрального анализа для неинвазивной диагностики состава биопленок. Эта технология позволяет получать изображения отраженного от объекта света одновременно во множестве спектральных каналов, создавая его уникальный "оптический паспорт" без необходимости проведения микробиологического посева и выделения отдельных культур микроорганизмов.

"Механизмы, лежащие в основе видоспецифичности гиперспектрального профиля, пока до конца не ясны. Мы еще не знаем, чем именно это обусловлено, в первую очередь химическим составом внеклеточного полимерного матрикса, или же определяющую роль играют морфологические характеристики биопленки. Скорее всего, наблюдаемый эффект носит комплексный характер, и точные механизмы еще предстоит выяснить", - рассказал заведующий кафедрой генетики Высшей школы биологии Института фундаментальной медицины и биологии КФУ Айрат Каюмов.

Перспективы применения

В ходе совместного исследования моделирование биопленок и биохимический анализ их матрикса были выполнены в КФУ, а гиперспектральные измерения и анализ данных с применением методов глубокого машинного обучения проведены в "ЛЭТИ". Эксперименты подтвердили, что каждая изученная биопленка обладает индивидуальным спектром отражения. Важно, что спектрограммы смешанных сообществ не являются простой суммой спектров отдельных видов, а отражают их сложное нелинейное взаимодействие, сохраняя при этом признаки, позволяющие идентифицировать участников консорциума.

По словам исследователей, полученные данные открывают путь к созданию приборов для экспресс-диагностики. В будущем врач с помощью компактного гиперспектрального сканера сможет в течение нескольких минут определить состав биопленки на ране или поверхности импланта и подобрать таргетированную терапию.

"Ключевая задача сейчас - тестирование на реальных биологических поверхностях: коже, слизистых, а также на объектах, контаминированных органикой. Именно это определит, соответствует ли порог детекции клинически значимым концентрациям на этапе ранней колонизации", - заключил Каюмов.

Результаты исследования представлены в международном научном журнале Analytica Chimica Acta.