Разработан неинвазивный метод идентификации микробных сообществ
Ученые Казанского федерального университета (КФУ) совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» и Лимнологического института СО РАН разработали технологию получения «оптического отпечатка» биопленок. Метод позволяет в режиме реального времени определять видовой состав бактериальных сообществ и выявлять наличие в них опасных микроорганизмов. Такой подход открывает путь к персонализированной терапии бактериальных инфекций.
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.
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. Поэтому для эффективного лечения критически важно быстро и точно определить, какие виды входят в состав микробного альянса.
В основе предложенного метода — технология гиперспектрального анализа, которая позволяет получать изображения отраженного от объекта света одновременно во множестве спектральных каналов. Благодаря этому, можно создать уникальный «оптический паспорт» биологического объекта без необходимости проведения микробиологического посева и выделения отдельных культур микроорганизмов.
Эксперименты подтвердили, что каждая 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.
«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», —прокомментировал один из авторов исследования, заведующий кафедрой генетики Высшей школы биологии Института фундаментальной медицины и биологии КФУ Айрат Каюмов.
В перспективе, считают ученые, полученные данные откроют путь к созданию приборов для экспресс-диагностики. Врач, направив компактный гиперспектральный сканер на рану или поверхность имплантата, сможет 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.