Специалисты Казанского федерального университета совместно с коллегами из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» предложили новый метод для быстрой и неинвазивной идентификации микробных сообществ — биоплёнок.
Технология основана на гиперспектральном анализе, который позволяет с высокой точностью определять видовой состав патогенов по их уникальному «оптическому отпечатку» без длительного лабораторного посева.
Биоплёнки представляют собой сложные сообщества микроорганизмов, покрытых защитным полимерным матриксом. Они часто образуются на ранах, имплантатах и слизистых оболочках, вызывая хронические инфекции, устойчивые к лечению. Особую сложность представляет диагностика смешанных консорциумов, где взаимодействие бактерий может кардинально менять их свойства и чувствительность к антибиотикам, сообщает Наука.рф
Метод использует съёмку в множестве спектральных каналов, создавая детальную спектрограмму отражённого от биоплёнки света. Как показали эксперименты, каждая изученная плёнка обладает индивидуальным спектром, а спектр смешанного сообщества не является простой суммой сигналов отдельных видов, но сохраняет признаки, позволяющие идентифицировать всех участников.
«Механизмы, лежащие в основе видоспецифичности гиперспектрального профиля, пока до конца не ясны. Скорее всего, наблюдаемый эффект носит комплексный характер, и точные механизмы еще предстоит выяснить», — прокомментировал заведующий кафедрой генетики КФУ Айрат Каюмов.
Для обработки данных учёные применили современные статистические методы и алгоритмы глубокого машинного обучения, включая байесовские сети и свёрточные нейросети. Это позволило достичь точности идентификации типичных пар микроорганизмов на уровне 0,96–0,99.
Технология открывает путь к созданию компактных устройств для экспресс-диагностики. В перспективе врач сможет направить портативный сканер на рану или поверхность имплантата и в течение нескольких минут получить информацию о составе биоплёнки для назначения таргетированной терапии. Следующим этапом станет тестирование метода на реальных биологических поверхностях — коже и слизистых оболочках — для подтверждения его клинической чувствительности. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
