研究人员使用多普勒超声跟踪细胞代谢活动
多普勒雷达可以通过观察空气团来预测天气 ， 从而改善人们的生活 。 普渡大学(Purdue University)的一个团队正在使用类似的技术来观察活细胞内部 ， 成为一种检测病原体和治疗感染的新方法 。
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研究小组使用多普勒技术观察细胞内部 ， 并实时跟踪它们的代谢活动 ， 而不必等待培养物生长 。 利用这种能力 ， 研究人员可以测试在食物、水和其他环境中发现的微生物 ， 看看它们是否是病原体 ， 或者确定治疗耐抗生素细菌的正确药物 。 这项研究发表于最新一期的《通讯生物》杂志Communications Biology 。 研究者使用了永生细胞系——除非杀死它们 ， 否则它们将永远存活 。
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他们将永生细胞系细胞暴露于不同的已知病原体中 ， 如沙门菌和大肠杆菌等 。 然后他们利用多普勒效应来观察细胞的反应 。 这些活细胞被称为“哨兵” ， 观察它们的反应被称为生物动力学分析 。
“首先 ， 我们将生物动力学成像应用于癌症 ， 现在我们将其应用于其他类型的细胞 ， ”研究者说 ， “这项研究是独一无二的 。 没有人做过这样的事 。 这就是它如此吸引人的原因 。 ”
当科学家们分离出一种未知的微生物 ， 并想知道它是否具有致病性(对活体组织有害)时 ， 这种策略就广泛适用 。 这些细胞可能出现在食物供应 ， 水源 ， 甚至是最近融化的冰川中 。 这可以直接衡量一个细胞是否具有致病性 。 如果细胞不具有致病性 ， 多普勒信号就不会改变 。 如果是的话 ， 多普勒信号会发生很大的变化 。 然后你可以用其他方法来确定病原体是什么 。 这是一种快速分辨敌友的方法 。 ”
Michael Ladisch ， 普渡大学农业与生物工程特邀教授
当人们遇到未知微生物时 ， 能够快速识别细胞是否有害是非常有用的 ， 这让科学家知道应该采取什么预防措施 。 一旦知道了一种微生物是有害的 ， 他们就可以确定细胞的特定身份 ， 并确定对抗微生物的有效抗生素 。
另一个好处是能够快速、直接地诊断出哪种细菌对哪种抗生素有反应 。 抗生素耐药性在医院和其他环境中可能是一个破坏性的问题 ， 在这些环境中 ， 身体和免疫系统已经受损的人可能会暴露于越来越多的抗生素耐药性细菌并受到感染 。 有时这会导致一种潜在的致命疾病 ， 称为细菌败血症或败血症 。
这与之前讨论的与COVID-19有关的病毒性败血症不同 ， 尽管科学家们表示 ， 他们的下一步将包括调查病毒性败血症 。
治疗败血症具有挑战性 。 给病人使用广谱抗生素 ， 这听起来是个好主意 ， 但可能并没有帮助 ， 反而会让情况变得更糟 。 让细菌与不会杀死它们的抗生素密切接触 ， 只会让它们对抗生素产生更强的耐药性 ， 使它们更易于对抗抗生素 。 培养病人的细菌样本 ， 找到正确的抗生素 ， 这通常需要8~10个小时 ， 治疗时机会因此延误 。
这种新的生物动力学过程允许科学家将病人的细菌样本放入一组装有组织哨兵的微型培养皿中 ， 然后用不同的抗生素处理每个样本 。
利用多普勒超声 ， 他们可以迅速发现哪些细菌样本有剧烈的代谢变化 。 那些对抗生素产生反应的样本——细菌正在死亡 ， 被抗生素打败和击退 。
研究者解释说：“当我们用抗生素治疗时 ， 细菌不必大量繁殖 ， 就会开始影响组织哨兵 。 细菌仍然太少 ， 无法直接观察或测量 ， 但它们开始影响组织的行为 ， 我们可以用多普勒检测 。 ”
【研究人员使用多普勒超声跟踪细胞代谢活动】用不到传统诊断所需时间的一半 ， 医生就能知道应该使用哪种抗生素 ， 从而提高了病人康复的机会 。 研究人员与普渡研究基金会技术商业化办公室密切合作 ， 为他们的技术申请专利和许可 。 他们计划进一步探索这种方法是否适用于暴露在非活的致病细胞或干燥孢子下的组织样本 ， 并用于检测和治疗病毒性败血症 。
参考文献
Choi, H., et al. (2021) Doppler imaging detects bacterial infection of living tissue. Communications Biology. doi.org/10.1038/s42003-020-01550-8.
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