Учёные ЛЭТИ и КФУ разработали неинвазивный метод идентификации микробных сообществ

Подавляющее большинство инфекционных заболеваний человека и животных в той или иной степени связано с формированием биопленок – сложных структур, в которых сообщества микроорганизмов погружены в выделяемый ими защитный матрикс. Этот внеклеточный полимерный субстрат создает для бактерий надежное убежище, делая их неуязвимыми для иммунной системы и устойчивыми к антимикробным препаратам. Именно эта резистентность лежит в основе хронизации многих инфекций и частых неудач терапии. 

Особую сложность представляет то, что в естественных условиях, будь то поверхность имплантата или раневое ложе, биопленки формируются не одним, а несколькими видами микробов. В таких смешанных консорциумах между бактериями возникают сложные взаимодействия, которые могут кардинально менять свойства всего сообщества. Например, в нашем предыдущем исследовании было показано, что тандем грибка Candida и золотистого стафилококка демонстрирует повышенную устойчивость, в то время как пара золотистого стафилококка (S. aureus) и синегнойной палочки (P. aeruginosa) может стать более уязвимой к некоторым антибиотикам. Поэтому для эффективного лечения критически важно быстро и точно определить, кто именно входит в состав микробного альянса. 

Ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) и Казанского федерального университета (КФУ) 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. Исследование представлено в Международном научном журнале Analytica Chimica Acta.

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».

Моделирование биопленок и биохимический анализ их матрикса выполнены на базе Казанского университета при поддержке Российского научного фонда. Гиперспектральные измерения и анализ данных с применением в том числе методов глубокого машинного обучения проведены в СПбГЭТУ «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.

«Для идентификации видового состава микроорганизмов в биопленках мы применили широкий спектр современных статистических методов – от байесовских сетей, позволяющих наглядно проиллюстрировать корреляционные связи между спектральной структурой отраженного света и биохимическими характеристиками биопленки, что позволяет биологу или врачу-исследователю до некоторой степени интерпретировать получаемые результаты, до сверточных нейронных сетей, эффективно комплексирующих  спектральную и структурную информацию, за счет чего достигают точности определения на уровне 0,96–0,99 для некоторых типичных пар микроорганизмов».

Полученные данные открывают путь к созданию приборов для экспресс-диагностики. Врач, направив компактный гиперспектральный сканер на рану или поверхность имплантата, сможет почти мгновенно (в течение нескольких минут, в отличие от нескольких часов в случае ПЦР-диагностики и нескольких дней при классическом бактериологическом посеве) получить информацию о видовом составе биопленки и подобрать таргетированную терапию с учетом специфических взаимодействий внутри микробного сообщества. Путь от лабораторного прототипа к клинической практике требует решения ряда задач. Главный вопрос – чувствительность метода в реальных условиях. «Теоретически, в контролируемой среде данные технологии позволяют обнаружить от 10 и более клеток микроорганизмов. Поэтому 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», – отметил Айрат Рашитович Каюмов. 

Работа ведётся в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет-2030», национального проекта «Молодёжь и дети» и инициативы Десятилетия науки и технологий.