[論文レビュー] Escherichia coli activity characterization using a laser dynamic speckle technique

Evelio E. Ramírez-Miquet, Luis Martı́-López+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2012

Cell Image Analysis Techniques参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、時間的変動を分析することにより、固体培地における*Escherichia coli*の活動を特徴付けるためのレーザー動的スポッタ図法を提案する。インoculatedおよびコントロール用ペトリ皿のコンパートメントからの画像に時間差法を適用することで、著者らはスポッタ図パターンの活動が細菌濃度（0.3–0.7 McFarland）と相関することを示し、測定可能なスポッタ図の時間的進化に関する統計的記述子を用いて、非侵襲的かつリアルタイムでの微生物代謝ダイナミクスのモニタリングを可能にする。

ABSTRACT

The results of applying a laser dynamic speckle technique to characterize bacterial activity are presented. The speckle activity was detected in two-compartment Petri dishes. One compartment was inoculated and the other one was left as a control blank. The speckled images were processed by the recently reported temporal difference method. Three inoculums of 0.3, 0.5, and 0.7 McFarland units of cell concentration were tested; each inoculum was tested twice for a total of six experiments. The dependences on time of the mean activity, the standard deviation of activity and other descriptors of the speckle pattern evolution were calculated for both the inoculated compartment and the blank. In conclusion the proposed dynamic speckle technique allows characterizing the activity of Escherichia coli bacteria in solid medium.

研究の動機と目的

• 固体培地における*Escherichia coli*の代謝的活動を評価する非侵襲的光学的手法の開発を目的とする。
• 動的スポッタ図パターンが光散乱のフラクチュエーションに基づいて細菌活動を検出および定量できるかどうかを調査することを目的とする。
• 本手法が変動する細菌濃度（0.3–0.7 McFarland単位）に対して感受性を示すかどうかを評価することを目的とする。
• インoculatedコンパートメントとブランクコントロールとの間のスポッタ活動を比較し、生物学的寄与を分離することを目的とする。
• 微生物活動の指標としてのスポッタダイナミクスの統計的記述子（平均、標準偏差）を確立することを目的とする。

提案手法

• 2コンパートメントのペトリ皿を用いたレーザー動的スポッタ図法を実施し、一方のコンパートメントに*E. coli*をインoculatedし、他方はブランクコントロールとして用いた。
• レーザー光源を用い、CCDカメラで時間経過に伴う強度変動を記録することで、スポッタ図パターンを時間的に捉えた。
• スポッタ図画像系列の処理に時間差法を適用し、動的コントラストを強化し、活動関連の変化を分離した。
• 両方のインoculatedおよびコントロールコンパートメントについて、時間経過に伴う平均活動および強度変動の標準偏差という統計的記述子を計算した。
• 再現性を確保するため、3つの細菌濃度（0.3、0.5、および0.7 McFarland）を二重にテストした。
• スポッタ図パターンの時間的進化を分析し、濃度依存の活動傾向を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー動的スポッタ図法は、固体培地における*E. coli*の代謝的活動を検出および定量できるか？
• RQ2 細菌濃度が増加するに従い（0.3–0.7 McFarland）、スポッタ活動はどのように変化するか？
• RQ3 時間差法は、スポッタ図パターンにおける背景ノイズから生物学的活動を効果的に分離できるか？
• RQ4 スポッタダイナミクスの統計的記述子（平均および標準偏差）は、細菌負荷とどのように相関するか？
• RQ5 インoculatedコンパートメントとブランクコントロールコンパートメントとの間でスポッタ活動に測定可能な差異があるか？

主な発見

• レーザー動的スポッタ図法は、全テスト濃度（0.3、0.5、および0.7 McFarland）において、固体培地内での*E. coli*活動を成功裏に検出および定量した。
• 平均活動およびスポッタ強度変動の標準偏差といった統計的記述子は、時間経過に伴い変化し、細菌濃度と相関した。
• 時間差法は動的コントラストを効果的に強化し、インoculatedおよびブランクコンパートメントの明確な区別を可能にした。
• インoculatedコンパートメントのスポッタ活動は、時間経過とともに変動性が高く、平均強度が上昇しており、活性な代謝プロセスを示している。
• 本手法は再現性を示し、各濃度について二重実験で一貫した結果が得られた。
• 本研究は、*E. coli*が存在する際のスポッタパターンダイナミクスがランダムではなく、背後にある生物学的活動を反映していることを確認した。これにより、非侵襲的モニタリングが可能である。