[논문 리뷰] Rapid Determination of Antimicrobial Susceptibility by Stimulated Raman Scattering Imaging of D2O Metabolic Incorporation in a Single Bacterium

Meng Zhang, Nader S. Abutaleb외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 22.

Bacterial Identification and Susceptibility Testing인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 단일 박테리아에서 델타옥시드(D2O) 대사 침착을 감지하기 위해 자극된 라만 산란(SRS) 영상 기반의 빠른 형태적 항생제 감수성 검사(аст) 플랫폼을 제시한다. 이 방법은 2.5시간 이내에 단일세포 최소 억제 농도(SC-MIC)를 결정하며, D2O 침착은 최소 10분 만에 감지 가능하여 기존 방법에 비해 빠른 속도를 제공한다. 8종의 박테리아 종과 14종의 항생제에 대해 37개 임상 분리주에서 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임상 현장에서 더 빠른 항생제 선택이 급한 필요성을 해결하기 위해 빠른 형태적 항생제 감수성 검사(аст) 방법을 개발하는 것.
• 고속 및 최소한의 샘플 입력으로 단일세포 항생제 감수성 평가를 가능하게 하는 것.
• AST의 전환 시간을 수일에서 2.5시간 이내로 단축시켜 환자 예후 향상과 항생제 내성 억제에 기여하는 것.
• 임상 적용 가능성을 확보하기 위해 소변 및 전체 혈액과 같은 복잡한 생물학적 기질에서의 방법 검증

제안 방법

• D2O 라벨링된 배지에서 박테리아 생체량에 대한 델타(D) 침착을 영상화하기 위해 자극된 라만 산란(SRS) 현미경을 사용한다.
• D-동위원소 라벨링을 통해 대사 활성을 측정하며, D2O는 지질, 단백질, 핵산과 같은 고분자에 흡수되고 침착된다.
• D2O 노출 후 10분 간격으로 SRS 영상 촬영을 통해 단일 박테리아 세포의 실시간 대사 역학을 추적한다.
• 항생제 노출 후 D2O 배양 후 대사 억제 정도를 평가하여 단일세포 최소 억제 농도(SC-MIC)를 결정한다.
• 임상 샘플에서 결과를 가속화하기 위해 1시간의 항생제 치료 후 30분간 D2O 및 항생제 동시 배양을 실시한다.
• 8종의 박테리아 종과 14종의 항생제에 대해 37개 임상 분리주에서 표준 브루트 미크로디플루션 검사와 비교하여 SC-MIC 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SRS 영상 기반 D2O 대사 침착 감지는 단일 박테리아에서 몇 분 내로 항생제 감수성을 감지할 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 사용할 때 신뢰할 수 있는 SC-MIC 값을 확보하기 위해 필요한 최소 시간은 얼마인가?
• RQ3 이 방법은 소변 및 전체 혈액과 같은 복잡한 임상 샘플에 직접 적용될 수 있는가?
• RQ4 이 방법에서 도출된 SC-MIC 결과는 임상 분리주에서 표준 브루트 미크로디플루션과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 단일세포의 대사 활성은 항생제 감수성의 신뢰할 수 있는 형태적 지표로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 70% D2O 배지에 노출된 지 10분 만에 단일 박테리아 세포에 D2O 대사 침착이 감지 가능하며, 이는 현재의 AST 기술 중에서 가장 빠른 시간이다.
• 초기 병변 분리 후 2.5시간 이내에 단일세포 최소 억제 농도(SC-MIC) 값이 도출되며, 이는 전환 시간을 크게 단축시킨다.
• 8종의 주요 박테리아 종과 14종의 일반적으로 사용되는 항생제에 대해 37개 임상 테스트 세트에서 표준 브루트 미크로디플루션과 100% 일치를 보였다.
• 1시간의 항생제 치료와 30분간의 D2O/항생제 동시 배양 후 소변 및 전체 혈액 내 박테리아에 대해 SRS 영상 기반 D2O 침착 분석이 성공적으로 적용되어 임상 적용 가능성의 실현 가능성을 입증하였다.
• SRS 영상에서 유도된 대사 비활성 농도(SC-MIC)는 형태적 감수성과 강하게 상관관계를 보이며, 이는 기능적 독성 측정법으로서의 신뢰성을 확인한다.