日本語AIでPubMedを検索
ラマン分光法を用いた末梢血からの好中球の細菌・真菌感染の検出と鑑別
Detection and differentiation of bacterial and fungal infection of neutrophils from peripheral blood using Raman spectroscopy.
PMID: 32613830 DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01384.
抄録
好中球は自然免疫系の重要な細胞であり、血液中の主要な白血球亜集団である。好中球は、細菌や真菌などの侵入病原体を認識し、中和する役割を担っています。このために、好中球は病原体を認識する受容体、サイトカイン、エフェクター分子、活性酸素種（ROS）産生酵素で満たされた顆粒を十分に備えています。病原体の種類に応じて、異なる反応がトリガーされ、好中球の特定の活性化状態になります。ここでは、感染症を間接的に検出し、好中球の分光学的特徴付けによって感染原因を特定するためのラベルフリーの方法を確立することを目的としている。そのために、ヒト末梢血から分離した好中球を、熱不活化グラム陽性菌（黄色ブドウ球菌）とグラム陰性菌（大腸菌）、および熱不活化菌と生菌（カンジダ・アルビカンス）を用いたインビトロ感染モデルで刺激した。ラベルフリーで非破壊的なラマン分光法を用いて、単一細胞レベルで好中球を特徴付けた。ファゴサイト化された真菌は、ラベルフリーのラマン分光イメージングを使用して、個々の好中球のいくつかの高解像度の偽色画像で可視化することができました。ハイスループットスクリーニングラマン分光器（HTS-RS）を使用して、3つの異なるドナーから2000以上の個々の好中球のラマンスペクトルは、ほぼ20000の好中球スペクトルのデータセットを生成する各治療群で収集されました。ランダムフォレスト分類モデルは、高精度（90％）で感染した細胞と非感染細胞を区別するために訓練された。病原体で挑戦した好中球の中で、感染の原因である細菌またはファンギャルでさえ、92％の精度で正確に予測された。したがって、ラマン分光法は、ラベルフリーの方法で信頼性の高い好中球の表現型と感染症診断を可能にします。時間のかかる培養で病原体を分離する微生物診断基準とは対照的に、このラマン法は潜在的に血液培養に依存しない可能性があり、血流感染診断の貴重な時間を節約することができます。
Neutrophils are important cells of the innate immune system and the major leukocyte subpopulation in blood. They are responsible for recognizing and neutralizing invading pathogens, such as bacteria or fungi. For this, neutrophils are well equipped with pathogen recognizing receptors, cytokines, effector molecules and granules filled with reactive oxygen species (ROS)-producing enzymes. Depending on the pathogen type, different reactions are triggered, which result in specific activa-tion states of the neutrophils. Here, we aim to establish a label-free method to indirectly detect infections and to identify the cause of infection by spectroscopic characterization of the neutrophils. For this, isolated neutrophils from human peripheral blood were stimulated in an in-vitro infection model with heat-inactivated Gram-positive (Staphylococcus aureus) and Gram-negative (Escherichia coli) bacterial pathogens as well as with heat-inactivated and viable fungi (Candida albicans). Label-free and non-destructive Raman spectroscopy was used to characterize neutrophils on a single cell level. Phagocyt-ized fungi could be visualized in a few high-resolution false color images of individual neutrophils using label-free Raman spectroscopic imaging. Using a high-throughput screening Raman spectroscope (HTS-RS), Raman spectra of more than 2000 individual neutrophils from three different donors were collected in each treatment group yielding a data set of almost 20000 neutrophil spectra. Random forest classification models were trained to differentiate infected and non-infected cells with high accuracy (90%). Among the neutrophils challenged with pathogens, even the cause of infection, bacterial or fun-gal, was predicted correctly with 92% accuracy. Therefore, Raman spectroscopy enables reliable neutrophil phenotyping and infection diagnosis in a label-free manner. In contrast to the microbiological diagnostic standard where the pathogen is isolated in time-consuming cultivation, this Raman-based method could potentially be blood-culture independent, thus saving precious time in blood stream infection diagnostics.