[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究提出一种基于受激拉曼散射（SRS）成像的快速表型抗菌药物敏感性测试（AST）平台，通过检测单个细菌对氘代氧化水（D2O）的代谢掺入来实现。该方法在2.5小时内完成单细胞最小抑菌浓度（SC-MIC）测定，D2O掺入可在短短10分钟内检测到，显著加快了现有方法的速度，并在8种细菌物种和14种抗生素的37份临床分离株中得到验证。

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.

研究动机与目标

• 开发一种快速的表型抗菌药物敏感性测试（AST）方法，以应对临床环境中更快选择抗生素的迫切需求。
• 实现在高通量和极低样本输入条件下的单细胞抗菌药物敏感性评估。
• 将AST的周转时间从数天缩短至2.5小时以内，改善患者预后并应对抗生素耐药性问题。
• 在尿液和全血等复杂生物基质中验证该方法的临床可转化性。

提出的方法

• 利用受激拉曼散射（SRS）显微镜成像，检测细菌在D2O标记培养基中对氘（D）的生物量掺入。
• 通过D同位素标记测量代谢活性，其中D2O被摄取并掺入脂质、蛋白质和核酸等大分子中。
• 在D2O暴露后以10分钟为间隔进行SRS成像，以追踪单个细菌细胞内的实时代谢动力学。
• 通过评估抗生素暴露后D2O孵育期间的代谢抑制情况，确定单细胞最小抑菌浓度（SC-MIC）。
• 采用1小时抗生素处理，随后进行30分钟D2O与抗生素共孵育，以加速临床样本中的结果获取。
• 在37份临床分离株（涵盖8种细菌物种和14种抗生素）中，将SC-MIC结果与标准肉汤微量稀释法进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 SRS成像能否在数分钟内检测出单个细菌对D2O代谢掺入所反映的抗菌药物敏感性？
• RQ2 使用该方法获得可靠SC-MIC值所需的最短时间是多少？
• RQ3 该方法能否直接应用于尿液和全血等复杂临床样本？
• RQ4 该方法获得的SC-MIC结果与标准肉汤微量稀释法在临床分离株中的结果相比如何？
• RQ5 单个细胞的代谢活性能否作为抗生素敏感性可靠表型指标？

主要发现

• 在70% D2O培养基中暴露后，D2O在单个细菌细胞中的代谢掺入可在短短10分钟内被检测到，是目前所有AST技术中报道的最短时间。
• 从初始菌落分离开始，单细胞最小抑菌浓度（SC-MIC）值在2.5小时内即可确定，显著缩短了周转时间。
• 在37组临床测试中，该方法与标准肉汤微量稀释法的符合率达到100%，涵盖8种主要细菌物种和14种常用抗生素。
• 在1小时抗生素处理和30分钟D2O/抗生素共孵育后，SRS成像对D2O掺入的应用成功实现于尿液和全血中的细菌，证明了其临床可行性。
• 基于SRS成像获得的代谢失活浓度（SC-MIC）与表型敏感性高度相关，证实其作为功能性读出指标的可靠性。