Новый класс гибридных оптических сенсоров, позволяющих в реальном времени обнаруживать бактерии в растворах и проводить экспресс-оценку их устойчивости к антибиотикам, был разработан учеными Московского университета совместно с коллегами. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект №22-72-10062) и опубликована в авторитетных международных изданиях ACS AppliedMaterials&Interfaces и ResultsinSurfacesandInterfaces.
Сенсоры разработаны на основе пористых кремниевых нанонитей, поверхность которых изменена биметаллическими наночастицами золота и серебра. Данная структура сочетает два оптических метода, дополняющих друг друга: интерференционный (с использованием эффекта Фабри–Перо) и спектроскопический, основанный на эффекте гигантского комбинационного рассеяния (ГКР, англ. SERS). Первый метод позволяет обнаруживать бактерии по изменению эффективной оптической толщины сенсорного слоя, а второй – проводить высокочувствительное определение спектральных характеристик, отражающих молекулярный состав клеточной стенки микроорганизмов, без использования меток.
Для проведения исследования был выбран штамм непатогенной бактерии Listeriainnocua, широко используется в микробиологических исследованиях. Это обусловлено морфологическим сходством и схожестью строения клеточной стенки L. innocua может рассматриваться как модель для апробации сенсоров, предназначенных для диагностики грамположительных патогенов, включая Mycobacteriumtuberculosis. Датчики показали чувствительность к бактериальным концентрациям, начиная с 3,2 млн КОЕ/мл при использовании SERS и 6,4 млн КОЕ/мл в интерферометрическом режиме.
Антибиотикорезистентность продолжает представлять серьезную угрозу для здоровья населения во всем мире. По информации Всемирной организации здравоохранения, устойчивость бактерий к антибиотикам постоянно увеличивается, что приводит к снижению эффективности традиционного лечения. В связи с этим технологии, обеспечивающие оперативное и точное определение чувствительности микроорганизмов к антибиотикам, приобретают ключевое значение.
Полученные данные подтверждают, что разработанные сенсорные подложки могут быть использованы для оперативного определения антибиотикорезистентности бактерий. При инкубации Listeriainnocua с различными антибиотиками непосредственно на поверхности сенсоров регистрировались воспроизводимые изменения в спектрах ГКР, отражающие молекулярный ответ клеток на антимикробное воздействие. Динамика изменения интенсивности диагностических пиков, в частности в области 736 и 1320 см⁻¹, позволяла в режиме реального времени дифференцировать чувствительность бактерий к различным препаратам. Предложенный подход не требует длительного культивирования и обеспечивает информативный спектроскопический отклик уже в течение первых часов наблюдения, значительно превосходя по скорости традиционные фенотипические методы, применяемые в клинической микробиологии.
«Разработанная нами платформа характеризуется высокой молекулярной чувствительностью, стабильностью сигнала и скоростью получения результатов. По мнению автора разработки, заведующей лабораторией кафедры медицинской физики физического факультета МГУ, такие системы могут лечь в основу компактных диагностических устройств для быстрой идентификации бактериальных инфекций и определения наиболее эффективной антимикробной терапии непосредственно в условиях оказания медицинской помощи Любовь Осминкина.
Работа была проведена совместными усилиями ученых из физического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова, а также НИЦ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи.
Возможность масштабирования технологии и использование биосовместимых материалов позволяют адаптировать ее для решения разнообразных задач в медицине, санитарной микробиологии, пищевой промышленности и при экологическом мониторинге.
Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ