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La resistencia a los antimicrobianos (RAM) es una amenaza mundial creciente para el tratamiento eficaz de las enfermedades infecciosas1. Se predice que la RAM causará 10 millones de muertes adicionales por año y una pérdida del PIB mundial de $ 100 billones para 2050 si no se toman medidas para combatir las bacterias resistentes a los antibióticos 1,2. Esto pone de relieve la necesidad urgente de métodos de diagnóstico rápidos e innovadores para las pruebas de sensibilidad a los antibióticos (AST) de las bacterias infecciosas para frenar la aparición de bacterias resistentes a los antibióticos y reducir la tasa de mortalidad relacionada3. Para garantizar el mejor resultado clínico posible, es crucial introducir una terapia efectiva dentro de las 24 h. Sin embargo, el método estándar de oro actual, como la difusión en disco o el método de dilución en caldo, generalmente requiere al menos 24 h para el procedimiento de preincubación para muestras clínicas y 16-24 h adicionales para obtener los resultados de concentración inhibitoria mínima (CMI). En general, estos métodos consumen demasiado tiempo para guiar una decisión inmediata para el tratamiento de enfermedades infecciosas en la clínica, lo que conduce a la aparición y propagación de resistencia a los antimicrobianos4.
Se han desarrollado métodos genotípicos de AST, como las técnicas basadas en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR)5, para la detección rápida. Tales técnicas miden las secuencias genéticas de resistencia específicas para proporcionar resultados rápidos de AST. No dependen del cultivo celular que consume mucho tiempo; Sin embargo, solo se prueban secuencias genéticas específicas conocidas con resistencia. Por lo tanto, su aplicación se limita a diversas especies bacterianas o diferentes mecanismos de resistencia. Además, no pueden proporcionar resultados de CMI para las decisiones terapéuticas 6,7. Además, se están desarrollando nuevos métodos fenotípicos para AST rápido para superar estas limitaciones8, incluidos los dispositivos microfluídicos 9,10,11,12,13, los dispositivos ópticos14,15,16, AST fenotípico que cuantifica la copia de ácidos nucleicosnúmero 17,18 y los métodos espectroscópicos Raman 19, 20,21,22,23,24. Estos métodos reducen el tiempo para guiar los resultados de AST, sin embargo, la mayoría de ellos solo son aplicables a aislados bacterianos, no directamente a muestras clínicas, y aún requieren una preincubación prolongada.
En este trabajo, presentamos un método para la determinación rápida de la susceptibilidad de las bacterias en la orina y la sangre total a través del monitoreo de la actividad metabólica celular mediante imágenes SRS. El agua (H2O) participa en la gran mayoría de los procesos esenciales de síntesis biomolecular en las células vivas. Como un isotopólogo del agua, a través de la reacción de intercambio H/D catalizada por enzimas entre el átomo de hidrógeno redox activo en NADPH y el átomo D en D2O, el deuterio puede incorporarse a la biomasa dentro de una celda25,26. Una reacción de síntesis de ácidos grasos deuterados está mediada por el NADPH marcado con deuterio. La incorporación deD2Oen reacciones de aminoácidos (AAs) resulta en la producción de proteínas deuteradas26 (Figura 1). De esta manera, las biomoléculas recién sintetizadas que contienen enlaces C-D en células microbianas individuales pueden emplearse como un marcador general de actividad metabólica para ser detectado. Para leer los enlaces C-D sintetizados de novo, la espectroscopia Raman, una herramienta analítica versátil que proporciona información química específica y cuantitativa de biomoléculas, se usa ampliamente para determinar la susceptibilidad antimicrobiana y reducir significativamente el tiempo de prueba a unas pocas horas27,28,29,30 . Sin embargo, debido a la baja eficiencia inherente del proceso de dispersión Raman, la espectroscopia Raman espontánea es de baja sensibilidad de detección. Por lo tanto, es difícil obtener resultados de imágenes en tiempo real utilizando espectroscopia Raman espontánea. La dispersión Raman coherente (CRS), incluida la dispersión Raman anti-Stokes coherente (CARS) y la dispersión Raman estimulada (SRS), ha alcanzado una alta sensibilidad de detección debido al campo de luz coherente para generar órdenes de magnitud mayores que la espectroscopia Raman espontánea, lo que representa imágenes químicas de alta velocidad, específicas y cuantitativas a nivel de una sola célula. 31,32,33,34,35 ,36,37,38,39.
Aquí, basándonos en nuestro trabajo más reciente40, presentamos un protocolo para la determinación rápida de la actividad metabólica y la susceptibilidad antimicrobiana mediante imágenes SRS C-D de femtosegundo de la incorporación de bacteriasD2Oen el medio normal, orina y ambiente de sangre total a nivel unicelular. La imagen SRS de femtosegundo facilita el monitoreo de la concentración de inactivación del metabolismo de una sola célula (SC-MIC) contra antibióticos a nivel de bacteria única dentro de las 2,5 h. Los resultados de SC-MIC se validan mediante una prueba MIC estándar mediante microdilución en caldo. Nuestro método es aplicable para determinar la susceptibilidad antimicrobiana de patógenos de infecciones del tracto urinario (ITU) e infecciones del torrente sanguíneo (BSI) con un tiempo de ensayo muy reducido en comparación con el método convencional, lo que abre la oportunidad de AST fenotípica rápida en la clínica a nivel de una sola célula.