Учёные добились значительного прорыва в скорости и точности выявления опасных патогенов, что критически важно для спасения жизней пациентов.
Исследователи из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в Южной Корее разработали новую диагностическую методику под названием гибридизация флуоресценции in situ (FISH). Эта технология использует искусственные полимеры – пептидные нуклеиновые кислоты (PNA), которые служат зондами для связывания с определёнными генетическими последовательностями бактерий. При связывании двух зондов с мишенью выделяется флуоресцентный сигнал, который позволяет идентифицировать различные патогены.
«Метод FISH позволяет быстро обнаруживать и идентифицировать микроорганизмы на основе их геномных вариаций без необходимости в длительном культивировании или секвенировании», – отмечают учёные. Однако резкий рост объёма микробных геномных данных осложнил процесс разработки подходящих зондов. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи создали новый набор PNA-зондов, анализируя вариации 16S рРНК среди всех известных бактериальных видов.
В лабораторных условиях метод FISH успешно идентифицировал семь видов бактерий, часто вызывающих инфекции у человека: Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus. Точность диагностики превысила 99% для всех видов, за исключением S. aureus, показатель точности которого составил 96,3%.
Учёные пояснили, что использование резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET) между парами соседних PNA-зондов устранило перекрёстные помехи между видами. Последовательная идентификация видов проводилась с применением химически расщепляемых флуорофоров без потери точности. Благодаря высокой точности и скорости диагностики эта методика имеет огромный потенциал для клинического применения.
Разработка этой технологии потребовала масштабных исследований: команда проанализировала 19 885 известных генетических последовательностей 14 614 бактериальных видов и создала специфические PNA-зонды, нацеленные на рибосомную РНК патогенов. В отличие от традиционных ДНК-зондов, PNA-зонды обладают рядом преимуществ, включая способность проникать через клеточные стенки бактерий. Использование двух зондов для идентификации одного патогена существенно повышает точность диагностики, особенно при наличии нескольких возбудителей заболевания.
Одним из ключевых преимуществ FISH является скорость – метод позволяет получить результаты менее чем за три часа. В то время как традиционные методы диагностики, такие как анализ крови или полимеразная цепная реакция (ПЦР), могут занимать от нескольких дней до недель. Для пациентов с жизнеугрожающими инфекциями, такими как сепсис, быстрая диагностика и назначение лечения имеют решающее значение.
Быстрая идентификация возбудителя также помогает избежать назначения неверных антибиотиков.
«Этот метод поможет диагностировать инфекции, требующие немедленного антибиотикотерапии, такие как сепсис, инфекции мочевыводящих путей и пневмония, а также снизит уровень необоснованного применения антибиотиков», – отметил ведущий автор исследования, доктор Сонхо Ким из департамента биомедицинской инженерии UNIST.
Следующим этапом станет проведение тестирования на образцах крови больных пациентов, чтобы проверить эффективность FISH в реальных клинических условиях.
Результаты исследования опубликованы в журнале Biosensors and Bioelectronics.
