اخیراً، ما نشان دادیم که این روش نه تنها برای آزمایش حساسیت ضد میکروبی سریع، بلکه برای کشف متابولیسم موجودات تک سلولی نیز قابل استفاده است. امیدواریم تلاش‌های ما به ما اجازه دهد تا دامنه‌های کاربردی ONMD را گسترش دهیم.
یک تکنیک جدید، سریع و مقرون به صرفه
این تکنیک جدید که به عنوان تشخیص نانوحرکت نوری (ONMD) شناخته می شود، روشی بسیار سریع، بدون برچسب و حساس به تک سلولی برای آزمایش حساسیت آنتی بیوتیکی است. ONMD فقط به یک میکروسکوپ نوری سنتی مجهز به دوربین یا تلفن همراه نیاز دارد. سادگی و کارآمدی این تکنیک می تواند یک تغییر بازی در زمینه مقاومت آنتی بیوتیکی باشد.
لطفاً می توانید خودتان را معرفی کنید، در مورد سوابق شغلی خود و اینکه چه چیزی الهام بخش فعالیت شما در زیست شناسی و پزشکی بوده است، بگویید؟
بعداً، و برای بسیاری از سایر فعالیت‌های علمی خود، عمدتاً روی کاربردهای بیولوژیکی AFM تمرکز کردم. در ده سال گذشته، علاقه تحقیقاتی من در مورد نانوحرکت است، یعنی مطالعه نوسانات موجودات زنده در مقیاس نانومتری.
تیم ما تقریباً منحصراً بر روی ثبت نانوحرکت میتوکندری‌های باکتریایی و سلول‌های پستانداران با دستگاه‌های نوری و مبتنی بر AFM تمرکز می‌کند.
برای تحقیقات بنیادی، هیچ پیشرفت مهم دیگری وجود ندارد. هر مرکز تحقیقاتی با تجهیزات معقول می تواند این تکنیک را پیاده کند و از آن استفاده کند. با توجه به اجرای این تکنیک در کشورهای در حال توسعه یا محیط های شدید، باید از دستگاه های مستقل استفاده شود که هنوز ساخته نشده اند.
نیاز به سرعت در حال گسترش برای AST کارآمد در سطح جهانی وجود دارد. با این حال، نیاز به تکنیک‌های مقرون‌به‌صرفه، در دسترس و ساده در کشورهای در حال توسعه که به‌دلیل نابرابری‌های موجود سلامت جهانی به‌طور نامتناسبی تحت تأثیر مقاومت آنتی‌بیوتیکی قرار گرفته‌اند، اهمیت زیادی دارد. آیا می توان از این روش سریع AST در کشورهای با درآمد متوسط کم برای کاهش سرعت گسترش باکتری های چندمقاوم استفاده کرد؟ این چه معنایی برای سلامت جهانی خواهد داشت؟
تکنیک ONMD همچنین می‌تواند سطوح آلودگی را در محیط‌های بسته مانند زیردریایی‌ها، فضاپیماها و ایستگاه‌های فضایی نظارت کند. یکی از پروژه‌های اخیر ما توسط آژانس فضایی اروپا (ESA) برای توسعه یک آزمایش سریع حساسیت ضد قارچی که می‌تواند در ریزگرانش کار کند، تامین شده است. علاوه بر این، ONMD می‌تواند برای پروژه‌های هیجان‌انگیزتر، مانند تشخیص حیات مستقل از شیمی در جستجوی حیات فرازمینی، استفاده شود.
خوانندگان از کجا می توانند اطلاعات بیشتری بیابند؟
- Villalba MI، Rossetti E، Bonvallat A، Yvanoff C، Radonicic V، Willaert RG*، Kasas S.*. روش نانوحرکت نوری ساده برای زنده ماندن تک باکتری و آزمایش پاسخ آنتی بیوتیکی. PNAS 2023، مه 2؛ 120(18):e2221284120. doi: 10.1073/pnas.2221284120. Epub 2023 Apr 24. PMID: 37094120. * به طور مساوی کمک کرد. https://doi.org/10.1073/pnas.2221284120
- رادونیک، وی. ایوانوف، سی. ویلالبا، MI; دیوریز، بی. کاساس، س. Willaert، نانوحرکت نوری تک سلولی RG کاندیدا آلبیکنس در میکرووله‌ها برای تست حساسیت ضد قارچی سریع. تخمیر 2023، 9:365. https://doi.org/10.3390/fermentation9040365
- Parmar P، Villalba MI، Horii Huber AS، Kalauzi A، Bartolić D، Radotić K، Willaert RG، MacFabe DF و Kasas S. نانوحرکت میتوکندریایی با میکروسکوپ نوری اندازه‌گیری شد. جلو. میکروبیول. 2023, 14:1133773. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1133773
- Starodubtseva MN، Irina A. Chelnokova IA، Shkliarava NM، Villalba MI، Tapalski DV، Kasas S، Willaert RG. تعدیل نرخ حرکت در مقیاس نانو کاندیدا آلبیکنس توسط اشعه ایکس. جلو. میکروبیول. 2023, 14:1133027. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1133027
- Radonicic V، Yvanoff C، Villalba MI، Kasas S، Willaert RG. دینامیک رفتار نانوحرکت تک سلولی ساکارومایسس سرویزیه در یک تراشه میکروسیالی برای تست حساسیت ضد قارچی سریع. تخمیر. 2022; 8 (5): 195. https://doi.org/10.3390/fermentation8050195
درباره دکتر ساندور کاساس
چالش دیگر تشخیص حرکت در مقیاس نانو بود. برای این منظور، ما از الگوریتم‌های همبستگی متقابل آزادانه استفاده کردیم که به وضوح زیر پیکسل می‌رسند. (یعنی چند نانومتر). ما ابتدا ONMD را برای موجودات بزرگتر مانند سلول های مخمر توسعه دادیم و این روش را به باکتری ها گسترش دادیم. این پیشرفت بیشتر حدود دو سال طول کشید.
شما در کنار دکتر رونی ویلارت، استاد زیست شناسی ساختاری در دانشگاه Vrije Universiteit بروکسل، روی توسعه این تکنیک سریع AST کار کردید. چگونه زمینه های تخصص و سوابق تحقیقاتی شما در توسعه ONMD مکمل یکدیگر بودند؟
اعتبار تصویر: Fahroni/Shutterstock.com
آیا در فرآیند تحقیق با محدودیت ها و موانعی مواجه بودید؟ اگر چنین است، چگونه بر آنها غلبه کردید؟
در اوایل دهه 90، AFM عمدتاً برای تصویربرداری استفاده می شد. بعدها، میکروسکوپ‌های AFM متوجه شدند که از این ابزار می‌توان برای کشف خواص مکانیکی موجودات زنده نیز استفاده کرد. اخیراً، بسیاری از کاربردهای عجیب و غریب AFM ظاهر شده است، مانند استفاده از آن برای وزن کردن تک سلولی یا مطالعه نوسانات آنها در مقیاس نانومتری. در دهه 1990، مقاومت آنتی بیوتیکی به اندازه امروز مشکل جدی نبود، اما چندین تیم قبلاً از AFM برای ارزیابی اثرات آنتی بیوتیک ها بر مورفولوژی باکتری ها استفاده می کردند.
ریزساخت چنین دستگاه هایی در محیط دانشگاهی نسبتاً ساده است، اما ما به دنبال راه حل های ساده تری بودیم. یکی از گزینه های ساخت چنین دستگاهی استفاده از نوار لاستیکی دو طرفه 10 میکرونی است. این به شما این امکان را می دهد که یک محفظه میکروسیال را در 5 دقیقه با دو سرپوش شیشه ای و پانچر “بسازید”.
R. Willaert متخصص در میکروبیولوژی مخمر و میکروسیالات است، در حالی که تیم ما در لوزان عمدتاً در تشخیص نانوحرکت مبتنی بر AFM و استفاده از AFM برای مشکلات مرتبط بالینی مشارکت دارد. این دو تیم با کمک مالی مشترک از بنیاد ملی علوم سوئیس و بنیاد تحقیقات فلاندر (FWO) حمایت شدند که توسعه این روش را ممکن کرد.
زمینه مقاومت ضد میکروبی نیاز به سطح بالایی از همکاری بین المللی دارد و همه با هم برای رسیدن به یک هدف مشترک کار می کنند. با افزایش مقاومت ضد میکروبی به سطوح خطرناکی در تمام نقاط جهان، همکاری در این زمینه چقدر مهم است؟
ما می خواهیم یک دستگاه مستقل برای محیط های شدید ایجاد کنیم. این شامل یک میکروسکوپ کوچک مجهز به یک دوربین و یک واحد پردازش داده است. بخش میکروسیالی دستگاه می تواند حاوی آنتی بیوتیک های مختلفی باشد که آماده آزمایش هستند.
تشخیص حساسیت آنتی بیوتیکی با ONMD بسیار شبیه به روش مبتنی بر AFM است. تا زمانی که باکتری زنده است، نوسان می کند. اگر آنتی بیوتیک موثر باشد، میکروارگانیسم را می کشد و نوسانات آن متوقف می شود. اولین محدودیتی که در هنگام توسعه ONMD با آن مواجه شدیم، عمق میدان دید میکروسکوپ های ما بود. برای جلوگیری از خروج باکتری‌ها از صفحه کانونی میکروسکوپ نوری در طول اندازه‌گیری، مجبور شدیم میکروب‌ها را در کانال‌های میکروسیال به ارتفاع چند میکرومتر محدود کنیم.
بنابراین ما دستگاه‌هایی را بر اساس فناوری اختصاصی AFM برای انجام سریع AST (یعنی در 2-4 ساعت) توسعه داده‌ایم. ابزارهای تشخیص نانوحرکت مبتنی بر AFM در حال حاضر در مراکز پزشکی در سوئیس، اسپانیا و اتریش اجرا شده است. با این حال، این نوع دستگاه دارای معایبی است، از جمله نیاز به تثبیت ارگانیسم مورد نظر بر روی یک کنسول. برای غلبه بر این محدودیت، ما با R. Willaert یک آشکارساز نانوحرکت مبتنی بر یک میکروسکوپ نوری ایجاد کرده‌ایم.
تحقیقات اخیر شما منجر به توسعه یک تکنیک جدید و بسیار کارآمد برای آزمایش سریع حساسیت آنتی بیوتیکی با استفاده از میکروسکوپ نوری شده است. لطفاً می توانید به ما بگویید چرا توسعه روش های آزمایش سریع، مقرون به صرفه و کارآمد در دنیای مقاومت ضد میکروبی بسیار مهم است؟
همانطور که قبلا ذکر شد، مقاومت باکتریایی یک مشکل بهداشتی جهانی است. Rapid AST همچنین باید به راحتی در کشورهای در حال توسعه برای محدود کردن گسترش سویه های مقاوم به کار گرفته شود. هرچه این تکنیک ارزان تر و ساده تر باشد، احتمال استفاده از آن در مقیاس بزرگ بیشتر است. ما متقاعد شده ایم که رویکرد ONMD می تواند این الزامات را برآورده کند. ONMD همچنین می تواند برای کشف دارو یا تحقیقات پایه استفاده شود.
در حالی که ما اهمیت AST سریع را می شناسیم، چه گام های بعدی باید برداشته شود تا بتوان از این تکنیک در سطح جهانی در تحقیقات و چشم اندازهای بالینی استفاده کرد؟
نانوحرکت یک رویکرد جذاب و جدید برای مشاهده موجودات زنده است.
من در رشته پزشکی فارغ التحصیل شدم اما هرگز در بیمارستان ها یا مراکز درمانی تمرین نکردم. پس از تحصیل به عنوان دستیار بافت شناسی در دانشگاه فریبورگ سوئیس شروع به کار کردم. اولین پروژه های تحقیقاتی من شامل پردازش تصویر، تونل زنی اسکن و میکروسکوپ نیروی اتمی بود.
این داروها به سرعت شرایط بیماران را بهبود می بخشند، اما متأسفانه مقاومت را افزایش می دهند. یک AST سریع که بتواند مناسب ترین آنتی بیوتیک را در عرض 4-2 ساعت شناسایی کند، آنتی بیوتیک های طیف وسیع را حذف می کند و کارایی درمان را افزایش می دهد و توسعه سویه های باکتریایی مقاوم را کاهش می دهد. از آنجایی که مقاومت باکتریایی یک مشکل جهانی است، ASTهای سریع باید در کشورهای در حال توسعه نیز اجرا شوند. بنابراین، تست های مقرون به صرفه و ساده برای استفاده مورد نیاز است.
ما مطمئن هستیم که آزمایش AST مبتنی بر ONMD می تواند به زودی در مراکز تحقیقاتی در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه اجرا شود. با این حال، اعتبارسنجی توسط مقامات بهداشتی برای استفاده از آن به عنوان یک ابزار تشخیصی استاندارد ضروری است. این فرآیند بسته به سیاست بهداشتی دولت می تواند چندین سال طول بکشد.
آینده شما و تحقیقات شما چیست؟ آیا در پروژه های هیجان انگیز آینده شرکت دارید؟
News Medical با دکتر Sandor Kasas، محقق اصلی در Ecole Polytechnique Fédérale de Lozanne در سوئیس صحبت می کند. در اینجا ما در مورد توسعه اخیر او از یک روش جدید و بسیار کارآمد برای آزمایش حساسیت آنتی بیوتیکی سریع با استفاده از میکروسکوپ نوری صحبت می کنیم.
اولین تحقیقات محدود به تغییرات ساختاری بود، اما بعداً، با گسترش زمینه های کاربرد AFM، این ابزار امکان نظارت بر خواص مکانیکی دیواره سلولی باکتری را در مواجهه با آنتی بیوتیک ها فراهم کرد. در دهه 2010، با G. Longo و G. Dietler، نشان دادیم که AFM می تواند نوسانات موجودات زنده در مقیاس نانو را ردیابی کند. اولین کاربردی که در ذهن داشتیم استفاده از ابزار برای انجام تست حساسیت آنتی بیوتیکی سریع بود.
اعتبار تصویر: dominikazara/Shutterstock.com
شما کار بر روی کاربردهای بیولوژیکی میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را در سال 1992 شروع کردید. از دیدگاه شما، چشم انداز مقاومت آنتی بیوتیکی در طول دو دهه گذشته چگونه تغییر کرده است؟ پیشرفت فناوری چه نقشی در افزایش درک ما داشته است؟
پروژه ما به تخصص در زمینه های مختلف مانند میکروبیولوژی، میکروسکوپ، میکروسیال، برنامه نویسی و پردازش داده نیاز داشت. در توسعه ابزارهای سریع AST و بسیاری دیگر، تنها رویکرد چند رشته ای و همکاری نزدیک بین تیم هایی با تخصص مکمل، امروزه تنها راه موفقیت است.
شما و دکتر ویلارت گفته اید، “سادگی و کارایی روش، آن را به یک تغییر دهنده بازی در زمینه AST تبدیل کرده است.” لطفاً توضیح دهید که چه چیزی ONMD را به یک تغییر دهنده بازی در زمینه AST تبدیل می کند و این تحقیق چه پیامدهایی می تواند در تنظیمات بالینی و تحقیقاتی داشته باشد؟
آزمایش سریع حساسیت آنتی بیوتیکی می تواند استفاده از آنتی بیوتیک های طیف وسیع را کاهش دهد. ASTهای سنتی بر اساس سرعت تکرار به 24 ساعت (اما در مورد سل تا 1 ماه) نیاز دارند تا موثرترین آنتی بیوتیک را شناسایی کنند. پزشکان بین پذیرش بیمار در مرکز پزشکی و نتایج AST، آنتی بیوتیک های وسیع الطیف را تجویز می کنند.