Ученые Московского университета с коллегами разработали новый класс гибридных оптических сенсоров, способных в режиме реального времени не только обнаруживать бактерии в растворах, но и проводить экспресс-анализ их устойчивости к антибиотикам. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
Разработанные сенсоры основаны на использовании пористых кремниевых нанонитей, которые были модифицированы с помощью биметаллических наночастиц золота и серебра. Такая конструкция объединяет два взаимодополняющих оптических подхода: интерференционный, основанный на эффекте Фабри-Перо, и спектроскопический, использующий эффект гигантского комбинационного рассеяния (ГКР).
Первый метод позволяет регистрировать изменения оптической толщины сенсорного слоя, которые происходят при взаимодействии с бактериями. Второй метод обеспечивает высокочувствительное выявление спектральных профилей, отражающих молекулярный состав клеточной стенки микроорганизмов. При этом использование меток не требуется.
В качестве модельного организма была выбрана непатогенная бактерия Listeria innocua, которая широко используется в микробиологических исследованиях. Благодаря сходству в строении клеточной стенки L. innocua может служить моделью для тестирования сенсоров, предназначенных для диагностики грамположительных патогенов, включая Mycobacterium tuberculosis.
Сенсоры продемонстрировали чувствительность к концентрациям бактерий от 3,2 млн КОЕ/мл в режиме SERS и от 6,4 млн КОЕ/мл в интерферометрическом режиме.
Устойчивость бактерий к антибиотикам остается одной из наиболее серьезных угроз для глобального здравоохранения. По данным ВОЗ, число устойчивых бактериальных штаммов продолжает расти, что снижает эффективность стандартной терапии. В таких условиях особую важность приобретают технологии, которые позволяют быстро и точно определять чувствительность микроорганизмов к антибиотикам.
Одним из ключевых результатов исследования стало подтверждение возможности использования разработанных сенсорных подложек для экспресс-анализа антибиотикорезистентности бактерий. При инкубации Listeria innocua с различными антибиотиками непосредственно на поверхности сенсоров были зафиксированы воспроизводимые изменения в спектрах ГКР, которые отражают молекулярный ответ клеток на антимикробное воздействие.
Динамика изменения интенсивности диагностических пиков, в частности в области 736 и 1320 см⁻¹, позволила в режиме реального времени различать чувствительность бактерий к различным препаратам.
Предложенный подход не требует длительного культивирования и обеспечивает информативный спектроскопический отклик уже в течение первых часов наблюдения, что значительно превосходит по скорости традиционные фенотипические методы, используемые в клинической микробиологии.
«Мы создали платформу, которая сочетает в себе высокую молекулярную чувствительность, воспроизводимость сигнала и оперативность получения результатов. Такие системы могут стать основой для компактных диагностических устройств, которые позволят быстро идентифицировать бактериальные инфекции и подбирать эффективную антимикробную терапию непосредственно в местах оказания медицинской помощи», – отмечает Любовь Осминкина, руководитель исследования, заведующая лабораторией кафедры медицинской физики физического факультета МГУ.
Исследование было проведено коллективом ученых физического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова, а также Научно-исследовательским центром эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи.
За счет масштабируемости технологии и использования биосовместимых материалов разработка может быть адаптирована для широкого спектра задач в медицине, санитарной микробиологии, пищевой промышленности и экологическом мониторинге.
Источник: msu.ru
распечатать статью
