Оригинальная статья

Ученые используют допплерографию, чтобы заглянуть внутрь клеток, что приводит к более быстрой диагностике и лечению инфекций.

Дэвид Нолти работает с доплеровским аппаратом, чтобы заглянуть внутрь живых клеток, давая ему представление о внутриклеточной активности, метаболизме и патогенности. (Фотография Университета Пердью / Ребекка МакЭлхо).

Скачать изображение

ЗАПАД-ЛАФАЙЕТ, штат Индиана – Доплеровский радар улучшает жизнь, заглядывая в воздушные массы, чтобы предсказать погоду. Команда Университета Пердью использует аналогичную технологию, чтобы заглянуть внутрь живых клеток, внедряя метод обнаружения патогенов и лечения инфекций способами, которых ученые никогда раньше не использовали.

В новом исследовании команда использовала Доплер, чтобы заглянуть внутрь клеток и отслеживать их метаболическую активность в режиме реального времени, не дожидаясь роста культур. Используя эту способность, исследователи могут тестировать микробы, обнаруженные в пище, воде и других средах, чтобы определить, являются ли они патогенами, или помочь им определить правильное лекарство для лечения устойчивых к антибиотикам бактерий.

Дэвид Нолти, заслуженный профессор физики и астрономии Эдварда М. Перселла из Purdue; Джон Турек , профессор фундаментальных медицинских наук; Эдуардо Хименес , научный сотрудник Департамента сельскохозяйственной и биологической инженерии; и Майкл Ладиш , заслуженный профессор сельскохозяйственной и биологической инженерии, адаптировали этот метод из своего предыдущего исследования раковых клеток в статье, опубликованной в этом месяце в журнале Communications Biology 

Команда выделила живые иммортализованные клетки в многолуночных планшетах, чтобы изучить их с помощью Доплера. (Фотография Университета Пердью / Ребекка МакЭлхо). Скачать изображение

Используя финансирование Национального научного фонда, а также Big Idea Challenge Парка открытий Purdue , команда работала с бессмертными клеточными линиями – клетками, которые будут жить вечно, если вы их не убьёте. Они подвергли клетки воздействию различных известных патогенов, в данном случае сальмонеллы и кишечной палочки. Затем они использовали эффект Доплера, чтобы проследить реакцию клеток. Эти живые клетки называются «часовыми», а наблюдение за их реакциями называется биодинамическим анализом.

«Сначала мы сделали биодинамическую визуализацию применительно к раку, а теперь мы применяем её к другим типам клеток», – сказал Нолти. «Это исследование уникально. Больше никто ничего подобного не делает. Вот почему это так интригует ».

Эта стратегия широко применима, когда учёные изолировали неизвестный микроб и хотят знать, является ли он патогенным – вредным для живых тканей – или нет. Такие клетки могут обнаруживаться в пищевых продуктах, источниках воды или даже в недавно растаявших ледниках.

Майкл Ладиш работает с доплеровским аппаратом для наблюдения за живыми клетками в реальном времени. (Фотография Университета Пердью / Ребекка МакЭлхоэ). Скачать изображение

«Это напрямую определяет, является ли клетка патогенной», – сказал Ладиш. «Если клетки не являются патогенными, доплеровский сигнал не меняется. Если да, то доплеровский сигнал меняется довольно значительно. Затем вы можете использовать другие методы, чтобы определить, что это за возбудитель. Это быстрый способ отличить друга от врага ». 

Возможность быстро определить, вредна ли клетка, невероятно полезна в ситуациях, когда люди сталкиваются с живым неизвестным микроорганизмом, позволяя учёным узнать, какие меры предосторожности следует принять. Как только становится известно, что микроб вреден, они могут приступить к установленным протоколам, которые позволяют им определять конкретную идентичность клетки и определять эффективный антибиотик против микроорганизма.

Ещё одно преимущество – возможность быстро и напрямую диагностировать, какие бактерии реагируют на какие антибиотики. Устойчивость к антибиотикам может быть разрушительной проблемой в больницах и других средах, где люди с уже скомпрометированными органами и иммунной системой могут подвергаться воздействию все большего количества устойчивых к антибиотикам бактерий и инфицироваться ими. Иногда это приводит к потенциально смертельному состоянию, называемому бактериальным сепсисом или сепсисом. Это отличается от вирусного сепсиса, который обсуждался в связи с COVID-19, хотя учёные говорят, что их следующие шаги будут включать исследование вирусного сепсиса.

Лечить сепсис сложно. Назначение пациенту антибиотиков широкого спектра действия, что звучит как хорошая идея, может не помочь и может ухудшить ситуацию для следующего пациента. Позволяя бактериям вступать в тесный контакт с антибиотиками, которые не убивают их, они только становятся более устойчивыми к этому антибиотику, и в следующий раз с ними будет труднее бороться.

На культивирование тканей пациента и поиск подходящего антибиотика может потребоваться время, которого у пациента нет, обычно от восьми до 10 часов. Этот новый биодинамический процесс позволяет учёным помещать образцы бактерий пациента в крошечные чашки Петри, содержащие тканевые индикаторы, и обрабатывать каждый образец разными антибиотиками. Используя допплерографию, они могут быстро заметить, в каких бактериальных образцах произошли резкие метаболические изменения. Образцы, которые действительно реагируют на антибиотик – бактерии умирают, их уничтожают и подавляют антибиотики.

«Когда мы лечим антибиотиками, бактериям не нужно много размножаться, прежде чем они начнут влиять на тканевые стражи», – пояснил Нолти. «По-прежнему слишком мало бактерий, чтобы их можно было увидеть или измерить напрямую, но они начинают влиять на поведение тканей, что мы можем обнаружить с помощью Доплера».

Менее чем за половину времени, которое занимает выращивание традиционной культуры и диагностики, врачи могут сказать, какой антибиотик назначить, увеличивая шансы пациента на выздоровление. Исследователи работали в тесном сотрудничестве с  Управлением коммерциализации технологий Purdue Research Foundation,   чтобы запатентовать и лицензировать свои технологии. Они планируют дополнительно изучить, будет ли этот метод работать для образцов тканей, подвергшихся воздействию неживых патогенных клеток или высушенных спор, а также для тестирования и лечения вирусного сепсиса.

Об университете Пердью

Purdue University – ведущее государственное исследовательское учреждение, разрабатывающее практические решения самых сложных современных проблем. Purdue, занявший 5-е место в рейтинге самых инновационных университетов США по версии US News & World Report, проводит исследования, меняющие мир, и открытия, не связанные с этим миром. Purdue стремится к практическому и онлайн-обучению в реальном мире. Он предлагает трансформирующее образование для всех. Стремясь обеспечить популярность и доступность, Purdue заморозила стоимость обучения и большую часть платы на уровне 2012-2013 годов, что позволило большему количеству студентов, чем когда-либо, получить образование без долгов. Посмотрите , как Purdue никогда не останавливается в постоянном стремлении к следующему гигантский скачок в  https://purdue.edu/ . 

Писатель, контакт для СМИ:

Бриттани Стефф; 765-494-7833; bsteff@purdue.edu 

Источник: Дэвид Нолти, 765-494-3013; nolte@purdue.edu 

Журналисты, посещающие кампус : журналисты должны соблюдать протоколы Protect Purdue  и следующие правила:

• Кампус открыт, но количество людей в помещениях может быть ограничено. Мы будем максимально любезны, но вас могут попросить выйти или сообщить из другого места о возможном прибытии.
• Чтобы обеспечить доступ, особенно к зданиям кампуса, мы рекомендуем вам связаться с представителями СМИ Purdue News Service, указанными в выпуске, чтобы сообщить им о характере визита и о том, где вы будете посещать Кампус. Представитель Службы новостей может облегчить безопасный доступ и сопроводить вас в университетский городок.
• Правильно носите маски для лица в любом здании кампуса и правильно носите маски для лица на открытом воздухе, когда социальное дистанцирование не менее шести футов невозможно.

_______________________________________________________________________________________________________________

АБСТРАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Допплеровская визуализация выявляет бактериальную инфекцию живой ткани

Хунгу Чой, Чжэ Ли, Чжэнь Хуа, Джессика Цупончич, Эдуардо Ксименес, Джон Дж. Турек, Майкл Р. Ладиш и Дэвид Д. Нолти

DOI: 10.1038 / s42003-020-01550-8

Живые трехмерные культуры тканей in vitro, выращенные из иммортализованных клеточных линий, действуют как живые стражи, поскольку патогенные бактерии вторгаются в ткань. Об инфекции сообщают через изменения во внутриклеточной динамике сигнальных клеток, вызванные нарушением нормальной клеточной функции инфекционными бактериями. Здесь доплеровское изображение зараженных дозорных показывает динамические характеристики инфекций. Инвазивные Salmonella enterica serovar Enteritidis и Listeria monocytogenes проникают через сфероиды многоклеточной опухоли, в то время как неинвазивные штаммы Escherichia coli и Listeria innocuaостаются изолированными вне клеток, генерируя различные доплеровские сигнатуры. Фазовые распределения, вызванные внутриклеточным транспортом, отображают статистику Леви, представляя альфа-спектроскопию Леви бактериальной инвазии. Лечение антибиотиками инфицированных сфероидов, отслеживаемое с помощью зависимых от времени допплеровских сдвигов, позволяет отличить лекарственно-устойчивые штаммы от нерезистентных. Такое использование внутриклеточной допплеровской спектроскопии часовых живых тканей открывает новый класс микробиологических анализов, имеющих потенциальное значение для изучения возникновения устойчивости к антибиотикам.

Примечание для журналистов : за экземпляром газеты обращайтесь к Бриттани Стефф, Служба новостей Purdue, по адресу bsteff@purdue.edu . Фотографии двух ученых в высоком разрешении, а также доплеровский аппарат и многолуночные планшеты доступны на Google Диске . Журналисты, посещающие кампус, должны соблюдать правила здоровья посетителей .