Detecting Bacterial Contamination Using Magneto-fluorescent Nanosensors
JoVE Encyclopedia of Experiments
Immunologie
0 weergaven • 3:08 min • July 8th, 2025
Begin by adding magneto-fluorescent nanosensors to the bacterial samples. These nanoparticles contain bacteria-specific antibodies and a fluorescent dye.
Incubate to allow interaction with bacteria, causing detectable changes in the magnetic properties of the solution.
Include a baseline nanosensor solution without bacteria as a control.
Transfer each solution to a magnetic relaxometer, where a constant magnetic field aligns the magnetic particles within the sample.
Apply a brief pulse to disrupt alignment temporarily.
The relaxometer measures how quickly the particles return to their original state, known as the T2 relaxation time.
Nanosensors clustering around bacteria increases T2 compared to the control, enabling quantification even at low bacterial concentrations.
Conversely, higher bacterial concentrations decrease nanosensor clustering, affecting T2 values.
For accurate quantification, perform fluorescence measurement.
Accordingly, centrifuge to isolate bacteria and bound nanosensors.
Resuspend the pellet for fluorescence measurement.
Upon excitation, the fluorescent nanosensors emit light, aiding in bacterial measurement.
In order to prepare solutions for reading in the magnetic relaxometry, 300 microliters of PBS is first pipetted into an eppendorf tube. Then, a sample of bacterial stock is added, followed by the addition of nanosensors. The solution is then transferred to a glass tube, and a piece of parafilm is placed on top in order to prevent evaporation.
The glass tube is then placed inside a larger NMR tube and inserted into the magnetic relaxometer. A baseline solution containing no bacteria and only nanosensor in PBS is used to get a baseline T2 reading as shown. Then, solutions containing various concentrations of bacteria are inserted into the magnetic relaxometer for analysis, and the changes in T2 values are caused by the binding between the nanosensors and the bacteria.
As shown, the presence of as few as one bacterial CFU can be detected within minutes using this modality. However, as the bacterial concentration increases, the MR readings are less quantifiable, which is why the use of fluorescence emission data is also tantamount to an accurate bacterial quantification. Before fluorescence data can be collected, the sample must first be centrifuged.
The solution is transferred from the glass tube to an eppendorf tube, and then centrifuged. This separates the bacteria and the nanosensors bound to it from free-floating nanosensors in solution. The supernatant is discarded and the bacterial pellet is resuspended in PBS. Finally, the sample may be analyzed via fluorescence emission. The strength of the emission will be relative to the amount of nanosensors remaining in solution, and therefore, also to the amount of bacteria present.
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het kwantificeren van bacteriële concentraties met behulp van magneto-fluorescente nanosensoren. De aanpak maakt gebruik van veranderingen in magnetische eigenschappen en fluorescentie-emissie om bacteriën effectief te detecteren.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Microbiologie
- Nanotechnologie
- Analytische chemie
Achtergrond
- Magneto-fluorescente nanosensoren zijn ontworpen om specifiek met bacteriën te interageren.
- Veranderingen in de T2-relaxatietijd kunnen wijzen op de aanwezigheid van bacteriën.
- Fluorescentiemetingen vullen magnetische relaxometrie aan voor een nauwkeurige kwantificering.
- Lage bacterieconcentraties kunnen met deze methode snel worden gedetecteerd.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een betrouwbare methode voor het kwantificeren van bacteriële concentraties.
- Het benutten van nanosensoren voor een verhoogde detectiegevoeligheid.
- Het combineren van magnetische en fluorescentietechnieken voor een verbeterde nauwkeurigheid.
Gebruikte methoden
- Bereiding van magneto-fluorescente nanosensoren.
- Incubatie van nanosensoren met bacteriële monsters.
- Meting van de T2-relaxatietijd met behulp van een magnetische relaxometer.
- Fluorescentiemeting na centrifugatie om bacteriën te isoleren.
Belangrijkste resultaten
- Detectie van slechts één bacteriële CFU binnen enkele minuten.
- Verhoogde T2-waarden correleren met de clustering van nanosensoren rondom bacteriën.
- Hogere bacteriële concentraties leiden tot verlaagde T2-waarden.
- Fluorescentiegegevens zorgen voor extra kwantificeringsnauwkeurigheid.
Conclusies
- De methode kwantificeert bacteriële concentraties effectief met behulp van nanosensoren.
- De combinatie van magnetische en fluorescentietechnieken verbetert de detectiecapaciteiten.
- Deze benadering kan worden toegepast voor snelle bacteriële analyse in diverse omgevingen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Snelle en gevoelige detectie van bacteriële contaminanten is cruciaal voor het waarborgen van de productveiligheid in de farmaceutische productie en bioprocessing. Deze magneto-fluorescente nanosensorbenadering maakt risicobeoordeling van microben in een vroeg stadium mogelijk door de bacteriële belasting binnen enkele minuten te kwantificeren, wat tijdige beslissingen over interventies ondersteunt. De duale read-out verhoogt de betrouwbaarheid van de contaminatiescreening, waardoor de afhankelijkheid van tragere kweekmethoden wordt verminderd en de doorlooptijden voor de vrijgave van batches worden verbeterd.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt functionele validatie van antimicrobiële mechanismen mogelijk door bacteriële reductie in real-time te kwantificeren.
- Operationele waarde: Biedt een snelle, kwantitatieve uitlezing voor het screenen van antimicrobiële verbindingen of biologische geneesmiddelen.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert reproduceerbare T2- en fluorescentiesignalen die correleren met de bacteriële concentratie, wat bijdraagt aan de standaardisatie van de assay.
- Operationele waarde: Faciliteert de gereedheid voor high-throughput screening door de compatibiliteit van magnetische relaxometrie met multi-sample formaten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt preklinische veiligheidstests door microbiële contaminatie in formuleringen of biologische geneesmiddelen te detecteren.
- Operationele waarde: Maakt longitudinale monitoring van de bioburden mogelijk in stabiliteitsstudies of procesimulaties.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen workflows voor microbiële kwaliteitscontrole en slaat een brug tussen de initiële bioburden-beoordeling en de vrijgavecontrole door een snelle, orthogonale bevestiging van de contaminatieniveaus te bieden.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing in studies naar antimicrobiële effectiviteit via kwantificeerbare bacteriële read-outs.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor het evalueren van de potentie van inhibitoren of de disruptie van biofilms.
- Analytics: Biedt duale-parametergegevens (T2-relaxatietijd en fluorescentie-intensiteit) voor kruisverificatie en een verbeterde voorspellende betrouwbaarheid.
- Translationeel onderzoek: Verbindt vroege detectie van contaminatie met preklinische continuïteit door de zuiverheid van het testartikel te waarborgen.
- Bedrijfsmatige hergebruikbaarheid: Vormt een platformtechnologie die aanpasbaar is aan diverse bacteriële targets via antilichaamconjugatie.
Operationele impact & impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen bij antimicrobiële screening door vals-negatieven te verminderen via orthogonale detectie.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en standaardisatie van microbiële assays over verschillende locaties.
- Strategische waarde: Versnelt go/no-go-beslissingen bij lead-optimalisatie door snelle contaminatiecontroles mogelijk te maken.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde voortgang door ervoor te zorgen dat microbiële veiligheidsgegevens vroegtijdig en betrouwbaar worden gegenereerd.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in de hantering van nanosensoren, magnetische relaxometrie en fluorescentiedetectie.
- Afhankelijk van toegang tot een magnetische relaxometer en een fluorescentie-lezer of plaatlezer.
- Standaardisatie van de conjugatie van nanosensoren en incubatieprotocollen tussen teams is noodzakelijk.
- Aanpassing aan verschillende bacteriële stammen vereist validatie van de antilichaamspecificiteit en bindingskinetiek.
- Praktische beperking: signaalinterferentie bij hoge bacteriële concentraties maakt fluorescentiebevestiging noodzakelijk voor een nauwkeurige kwantificering.
Biopharma Veelgestelde Vragen
Nanosensors om te detecteren Protease activiteit In Vivo Noninvasive Diagnostics
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Bacteriofaag effectiviteit voor biocontrole van door voedsel overgedragen pathogenen geëvalueerd via high-throughput instellingen
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Homogene snelle detectie van biologische testen met behulp van Magnetic Modulation biosensing System
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Fluorescerende Nanodeeltjes voor het meten van Ion Concentratie in Biological Systems
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Detectie van bacteriën met behulp van fluorogene DNAzymes
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Bacteriële Detection & Identification gebruiken elektrochemische sensoren
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Multiplexed Quantitative Bacterial Detection using Dye-Labeled Magnetic Microspheres
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Optische detectie van E. coli Bacteriën door Mesoporous Silicon biosensoren
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Foodborne Pathogen Screening met behulp van Magneto-belichting fluorescerende Nanosensor: Snelle detectie van E. Coli O157:H7
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Ontwikkeling van een elektrochemische DNA Biosensor te detecteren een Foodborne Pathogen
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Laatst bijgewerkt: 29 augustus 2026