Onderzoekers van de San Diego School of Medicine van de Universiteit van Californië hebben een microbiële detectietechniek ontwikkeld die zo gevoelig is dat ze slechts 50-100 bacteriële cellen op een oppervlak kunnen detecteren. Bovendien, ze kunnen monsters efficiënter testen - tot honderden monsters op één dag.

De techniek werd gevalideerd door monsters te nemen van honderden oppervlakken in drie verschillende omgevingen:de Spacecraft Assembly Facility in het Jet Propulsion Laboratory van NASA aan het California Institute of Technology; de neonatale intensive care-afdeling (NICU) in het Jacobs Medical Center van UC San Diego Health; en een bedreigde kweekfaciliteit voor witte abalones in het Southwest Fisheries Science Center van de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in La Jolla, Californië

Details van de techniek, genaamd KatharoSeq, worden op 13 maart gepubliceerd in het tijdschrift mSystemen . ("Katharos" is Grieks voor "puur, " en "Seq" is een afkorting voor sequencing.) KatharoSeq heeft al nieuwe inzichten onthuld over de drie testlocaties die kunnen helpen bij het optimaliseren van de manier waarop de Mars 2020 Rover wordt geassembleerd, hoe bacteriën worden gevolgd in ziekenhuizen, en hoe bedreigde witte zeeoren worden grootgebracht en weer in het wild worden teruggebracht.

"Hoe meer we weten over de microbiële gemeenschappen in een bepaalde omgeving, hoe waarschijnlijker het is dat we ze kunnen hervormen om het milieu en de menselijke gezondheid te verbeteren, " zei senior auteur Rob Knight, doctoraat, hoogleraar kindergeneeskunde en informatica en techniek, en directeur van het Center for Microbiome Innovation aan de UC San Diego.

Dit is wat KatharoSeq tot nu toe heeft onthuld:

De assemblagefaciliteit voor ruimtevaartuigen in het Jet Propulsion Laboratory is waar NASA ruimtevaartuigen en machines bouwt om in de ruimte te worden gelanceerd. Ingenieurs en personeel moeten verantwoording afleggen over elk biologisch organisme dat de ruimte in wordt gestuurd om besmetting van andere planeten te voorkomen.

In dit deel van de studie, Het team van Knight vroeg zich af of KatharoSeq microben zou kunnen detecteren in wat wordt beschouwd als een steriele faciliteit. Van de drie geteste sites, de Spacecraft Assembly Facility had de laagste microbiële diversiteit. Maar bacteriën waren nog steeds aanwezig - KatharoSeq detecteerde 32 soorten. Het meest voorkomende type was Acinetobacter Iwoffi , die in verband wordt gebracht met menselijk voetverkeer.

Het team van Knight zal nu samenwerken met het personeel van Jet Propulsion Laboratory om een ​​kaart te maken van de microben die in de faciliteit in de komende zes maanden leven. inclusief de Mars 2020 Rover. Hun doel is om een ​​steriele rover naar Mars te sturen.

De NICU in het Jacobs Medical Center van UC San Diego Health is relatief nieuw:het geavanceerde specialistische ziekenhuis met 245 bedden dat eind 2016 in La Jolla werd geopend, ongeveer vier maanden voordat monsters voor dit onderzoek werden verzameld. De NICU met 52 kamers is ontworpen om elke baby en zijn of haar gezin een eigen kamer te geven, met het idee dat het niet alleen een betere patiëntervaring zou opleveren, maar ook om de verspreiding van infecties onder deze kwetsbare bevolking te voorkomen.

In dit onderzoek, de NICU-monsters bevatten meer bacteriesoorten dan de Spacecraft Assembly Facility, maar minder dan de witte abalone-opfokfaciliteit. In overeenstemming met andere bevindingen van het ziekenhuis, de onderzoekers die KatharoSeq gebruikten, ontdekten dat stafylokokkenbacteriën het meest prominente type waren in de faciliteit, waarvan de meerderheid de ongevaarlijke huidbewoner was Staphylococcus epidermidis .

De NICU heeft twee secties:een met een hogere scherpte (een hogere zorgverlener-patiëntratio) en een met een lagere scherpte. Het team vond meer stafylokokkenbacteriën op de oppervlakken van de hogescherpe vleugel, die op het moment van het onderzoek correleerde met een hogere kweeksnelheid in dat gebied (zes positieve kweken in 14 high-acuity kamers, vs. zes op vijf van de 37 kamers met een lage intensiteit).

Met behulp van KatharoSeq, oppervlakken in een van de NICU-kamers positief getest op de bacterie Serratia marcescens . Buiten medeweten van Knight's team op dat moment, het kind dat in die kamer verbleef, had een longinfectie met die bacterie gehad. Maar ze merkten op dat de bacteriën aan weerszijden van de kamers niet aanwezig waren, ondersteuning van de veronderstelling dat particuliere patiëntenkamers een barrière vormen voor infectie.

"Alle ziekenhuizen hebben bacteriën, " zei Knight. "Maar dit is het soort informatie dat we nog niet hebben - welke bacteriën worden waar gevonden, en voor hoe lang. Pathogeenmonitoring vereist momenteel het nemen van monsters van patiënten en deze opsturen om te worden gekweekt, waar laboranten wachten om te zien welke bacteriën in een petrischaaltje groeien. In staat zijn om ziekteverwekkers routinematig te volgen en te voorspellen, niet-invasieve bemonstering van de gebouwde omgeving en sequencing om de bacteriën te identificeren, in plaats van te wachten tot culturen groeien, zou een nuttige benadering kunnen zijn voor het identificeren van potentiële hotspots van transmissie die momenteel onbekend zijn."

In de toekomst, co-auteur Jae Kim, MD, universitair hoofddocent kindergeneeskunde en voeding medisch directeur van het Supporting Premature Infant Nutrition Program, en zijn team hopen probiotische interventies in de NICU te onderzoeken. Ze willen weten of het behandelen van patiënten met nuttige bacteriën kolonisatie met pathogene bacteriën in de loop van de tijd kan helpen voorkomen, zowel op de patiënt als binnen de gebouwde omgeving van de kamer.

NOAA's Southwest Fisheries Science Center brengt bedreigde witte abalone groot om te helpen hun populaties in het wild te herstellen. Deze schelpdieren waren de eerste ongewervelde zeedieren die eind jaren negentig aan de lijst van bedreigde diersoorten werden toegevoegd. Omdat hun populaties gedeeltelijk zijn afgenomen als gevolg van een verwelkend syndroom veroorzaakt door een type Rickettsia bacteriën, infectiebeheersing is van vitaal belang voor de opfok, vooral wanneer abalone wordt overgebracht vanuit andere aquaria. De witte abalone tank ontvangt zeewater dat UV-behandeld en gefilterd is.

In dit onderzoek, KatharoSeq ontdekte een diverse microbiële gemeenschap in de witte abalone-tanks. De onderzoekers vonden vele soorten mariene bacteriën, waaronder symbiotische soorten die de vissen kunnen helpen bij het verteren van algen. De witte abalone had meer bacteriën gemeen met hun omgeving dan met de nabijgelegen rode abalone. Maar onderzoekers hebben niets van de verontrustende ontdekt Rickettsia . Vooruit gaan, Het team van Knight hoopt samen te werken met de opfokfaciliteit om de optimale microbiële samenstelling van de witte zeeoren en zijn omgeving te bepalen om het transplantatiesucces te verbeteren.

"Als het gaat om de gezondheid van mens en milieu, steriel is niet per se beter, " zei co-auteur Russ Vetter, een senior wetenschapper bij NOAA Southwest Fisheries Science Center. "We willen wilde en in aquarium gekweekte zeeoren vergelijken, en beter begrijpen hoe de in het aquarium gekweekte abalone-bacteriën hen helpen of schaden als ze eenmaal in de oceaan zijn losgelaten. Hebben ze een probiotisch bad nodig voordat ze worden vrijgelaten, of zal een ander dieet helpen om ze voor te bereiden? We weten het nog niet."

Technische details . De eerste auteur van deze studie, Jeremia Minich, een afgestudeerde student die aan zijn proefschrift werkt in het laboratorium van Knight en in het laboratorium van Eric E. Allen, doctoraat, universitair hoofddocent bij UC San Diego Scripps Institution of Oceanography, veegde elk van deze locaties af terwijl ze beschermende kleding en handschoenen droegen om onbedoelde besmetting van de omgevingen te voorkomen. Hij nam de monsters terug naar het lab op droogijs, vervolgens doorliepen ze het typische microbiële DNA-sequencingprotocol:DNA uit de monsters halen, amplificeren microbe-specifieke "barcodes" bekend als 16S rRNA met behulp van een techniek genaamd polymerase kettingreactie (PCR), laat ze door een sequencer lopen en analyseer de gegevens.

Nieuw in KatharoSeq is dat Minich een strategie voor het poolen van monsters heeft geïntegreerd, passende positieve en negatieve controles, high-throughput DNA-extractie en een op magnetische kralen gebaseerde DNA-opruimingsaanpak. De meeste onderzoekers laten hun monsters door een filter in een kolom gaan om DNA te zuiveren voordat ze worden gesequenced, maar Minich en team ontdekten dat op die manier veel materiaal per ongeluk verloren gaat. Met KatharoSeq, de onderzoekers verbeterden hun niveau van microbiële detectie met ongeveer twee ordes van grootte en verhoogden de snelheid waarmee ze monsters kunnen verwerken ongeveer vijf keer, in vergelijking met standaard bemonsterings- en sequentiemethoden.

"We kunnen binnen 48 uur na ontvangst van een biologisch monster resultaten krijgen, "Zei Minich. "En we denken dat we het nog sneller zouden kunnen doen als we het opschalen en meer automatisering in het KatharoSeq-proces opnemen."