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La resistenza antimicrobica (AMR) è una crescente minaccia globale per il trattamento efficace delle malattie infettive1. Si prevede che la resistenza antimicrobica causerà ulteriori 10 milioni di morti all'anno e una perdita di PIL globale di 100 trilioni di dollari entro il 2050 se non verrà intrapresa alcuna azione per combattere i batteri resistenti agli antibiotici 1,2. Ciò sottolinea l'urgente necessità di metodi diagnostici rapidi e innovativi per i test di sensibilità agli antibiotici (AST) dei batteri infettivi per rallentare la comparsa di batteri resistenti agli antibiotici e ridurre il relativo tasso di mortalità3. Per garantire il miglior risultato clinico possibile, è fondamentale introdurre una terapia efficace entro 24 ore. Tuttavia, l'attuale metodo gold standard, come la diffusione del disco o il metodo di diluizione del brodo, di solito richiede almeno 24 ore per la procedura di preincubazione per i campioni clinici e ulteriori 16-24 ore per ottenere i risultati della concentrazione inibitoria minima (MIC). Nel complesso, questi metodi richiedono troppo tempo per guidare una decisione immediata per il trattamento delle malattie infettive nella clinica, che porta alla comparsa e alla diffusione della resistenza antimicrobica4.
I metodi genotipici AST, come le tecniche basate sulla reazione a catena della polimerasi (PCR)5, sono stati sviluppati per una rapida rilevazione. Tali tecniche misurano le sequenze genetiche specifiche di resistenza al fine di fornire risultati rapidi AST. Non si basano su colture cellulari dispendiose in termini di tempo; Tuttavia, vengono testate solo specifiche sequenze genetiche note con resistenza. Pertanto, la sua applicazione è limitata a varie specie batteriche o diversi meccanismi di resistenza. Inoltre, non possono fornire risultati MIC per le decisioni terapeutiche 6,7. Inoltre, sono in fase di sviluppo nuovi metodi fenotipici per l'AST rapida per superare queste limitazioni8, compresi i dispositivi microfluidici 9,10,11,12,13, i dispositivi ottici14,15,16, l'AST fenotipico che quantifica il numero di copia degli acidi nucleici17,18 e i metodi spettroscopici Raman 19, 20,21,22,23,24. Questi metodi riducono il tempo per guidare i risultati AST, tuttavia, la maggior parte di essi sono applicabili solo agli isolati batterici, non direttamente ai campioni clinici, e richiedono ancora una preincubazione a lungo termine.
In questo lavoro, presentiamo un metodo per determinare rapidamente la suscettibilità dei batteri nelle urine e nel sangue intero attraverso il monitoraggio dell'attività metabolica cellulare mediante imaging SRS. L'acqua (H2O) partecipa alla stragrande maggioranza dei processi essenziali di sintesi biomolecolare nelle cellule viventi. Come isotopologo dell'acqua, attraverso la reazione di scambio H/D catalizzata da enzimi tra l'atomo di idrogeno redox-attivo in NADPH e l'atomo D in D2O, il deuterio può essere incorporato nella biomassa all'interno di una cellula25,26. Una reazione di sintesi degli acidi grassi deuterati è mediata dal deuterio marcato NADPH. L'incorporazione di D2O nelle reazioni degli amminoacidi (AA) provoca la produzione di proteine deuterate26 (Figura 1). In questo modo, le biomolecole contenenti legami C-D appena sintetizzate in singole cellule microbiche possono essere impiegate come marcatore di attività metabolica generale da rilevare. Per leggere i legami C-D sintetizzati de novo, la spettroscopia Raman, uno strumento analitico versatile che fornisce informazioni chimiche specifiche e quantitative delle biomolecole, è ampiamente utilizzata per determinare la suscettibilità antimicrobica e ridurre significativamente il tempo di test a poche ore27,28,29,30 . Tuttavia, a causa della bassa efficienza intrinseca del processo di scattering Raman, la spettroscopia Raman spontanea è di bassa sensibilità di rivelazione. Pertanto, è difficile ottenere risultati di immagini in tempo reale utilizzando la spettroscopia Raman spontanea. Lo scattering Raman coerente (CRS), incluso lo scattering Raman coerente anti-Stokes (CARS) e lo scattering Raman stimolato (SRS), ha raggiunto un'elevata sensibilità di rivelazione a causa del campo luminoso coerente per generare ordini di grandezza più grandi di quello della spettroscopia Raman spontanea, rendendo così l'imaging chimico ad alta velocità, specifico e quantitativo a livello di singola cellula 31,32,33,34,35 ,36,37,38,39.
Qui, sulla base del nostro lavoro più recente40, presentiamo un protocollo per la determinazione rapida dell'attività metabolica e della suscettibilità antimicrobica mediante imaging SRS C-D a femtosecondi dell'incorporazione di D2O di batteri nel mezzo normale, nelle urine e nell'ambiente del sangue intero a livello di singola cellula. L'imaging SRS a femtosecondi facilita il monitoraggio della concentrazione di inattivazione del metabolismo a singola cellula (SC-MIC) contro gli antibiotici a livello di singolo batterio entro 2,5 ore. I risultati SC-MIC sono convalidati dal test MIC standard tramite microdiluizione del brodo. Il nostro metodo è applicabile per determinare la suscettibilità antimicrobica dei batteri infezione del tratto urinario (UTI) e dell'infezione del flusso sanguigno (BSI) patogeni con un tempo di analisi molto ridotto rispetto al metodo convenzionale, che apre l'opportunità di una rapida AST fenotipica nella clinica a livello di singola cellula.