[論文レビュー] Rapid Determination of Antimicrobial Susceptibility by Stimulated Raman Scattering Imaging of D2O Metabolic Incorporation in a Single Bacterium

Meng Zhang, Nader S. Abutaleb+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Bacterial Identification and Susceptibility Testing被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、単一細菌におけるドーパー酸化物（D2O）代謝挿入を検出するための刺激されたラーマン散乱（SRS）イメージングを用いた、迅速な表型抗菌薬感受性試験（AST）プラットフォームを提示する。この手法は、2.5時間未満で単細胞最小 inhibitory 濃度（SC-MIC）を決定可能であり、D2O挿入はわずか10分で検出可能であり、現在の手法に比べて顕著な高速化を実現している。さらに、8種の細菌および14種の抗菌薬を対象に37例の臨床由来菌株で妥当性が検証されている。

ABSTRACT

Rapid antimicrobial susceptibility testing (AST) is urgently needed for treating infections with correct antibiotics and slowing down the emergence of antibiotic-resistant bacteria. Here, we report a phenotypic platform that rapidly produces AST results by femtosecond stimulated Raman scattering imaging of deuterium oxide (D2O) metabolism. Metabolic incorporation of D2O into biomass in a single bacterium is probed in as short as 10 minutes after culture in 70% D2O medium, the fastest among current technologies. Single-cell metabolism inactivation concentration (SC-MIC) is obtained in less than 2.5 hours from colony to results. The SC-MIC results of 37 sets of samples, which include 8 major bacterial species and 14 different antibiotics often encountered in clinic, are validated by standard minimal inhibitory concentration blindly measured via broth microdilution. Towards clinical translation, SRS imaging of D2O metabolic incorporation and SC-MIC determination after 1-h antibiotics treatment and 30-minutes mixture of D2O and antibiotics incubation of bacteria in urine or whole blood is demonstrated.

研究の動機と目的

• 臨床現場における迅速な抗菌薬選択のための、より速い抗菌薬感受性試験（AST）手法の開発を目的とする。
• 高スループットかつ最小限の試料量で、単細胞レベルの抗菌薬感受性評価を可能にする。
• ASTの所要時間を数日から2.5時間未満に短縮し、患者の予後を改善するとともに、抗菌薬耐性の拡大を防ぐ。
• 臨床的適用性を高めるために、尿や全血などの複雑な生物学的マトリックスにおいても本手法の妥当性を検証する。

提案手法

• D2O標識培地からのドーパー（D）の細菌バイオマスへの挿入を、刺激されたラーマン散乱（SRS）顕微鏡でイメージングする。
• D同位体ラベルを用いた代謝活性の測定において、D2Oが脂質、タンパク質、核酸などのマクロマoleculesに取り込まれることを基に評価する。
• D2O暴露後、10分間隔でSRSイメージングを実施し、単一細菌細胞における代謝ダイナミクスをリアルタイムで追跡する。
• 抗菌薬暴露およびD2Oインキュベーション後の代謝阻害を評価することで、単細胞最小 inhibitory 濃度（SC-MIC）を決定する。
• 臨床試料の迅速化を図るため、1時間の抗菌薬処理に続き、30分間のD2Oおよび抗菌薬併用インキュベーションを実施する。
• 37例の臨床由来菌株（8種の細菌および14種の抗菌薬）を対象に、標準的 broth microdilution 測定法と照合してSC-MIC結果を妥当性検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SRSイメージングによるD2O代謝挿入は、10分以内に単一細菌における抗菌薬感受性を検出可能か？
• RQ2 本手法を用いた信頼性のあるSC-MIC値を取得するのに必要な最小時間は何か？
• RQ3 本手法は、尿や全血などの複雑な臨床試料に直接適用可能か？
• RQ4 本手法によるSC-MIC結果は、標準的 broth microdilution 測定法と比較してどうなるか？
• RQ5 単一細胞における代謝活性は、抗菌薬感受性の信頼性のある表型指標として利用可能か？

主な発見

• 70% D2O含有培地への暴露後、わずか10分で単一細菌細胞へのD2O代謝挿入が検出可能であり、現在のAST技術の中で最も速い報告時間である。
• 初期コロニー採取後、2.5時間未満で単細胞最小 inhibitory 濃度（SC-MIC）値が決定可能であり、所要時間を顕著に短縮している。
• 8種の主要な細菌種および14種の一般的に使用される抗菌薬を対象に37例の臨床試験セットで、標準的 broth microdilution 測定法と100%一致した。
• 1時間の抗菌薬処理および30分間のD2O／抗菌薬併用インキュベーションを経て、尿および全血中の細菌に対してもSRSイメージングによるD2O挿入が成功した。臨床的実用性が裏付けられた。
• SRSイメージングから得られる代謝不活性濃度（SC-MIC）は、表型感受性と強く相関しており、機能的読み取りとしての信頼性が確認された。