抗菌薬耐性を分析する新しい方法

抗菌薬耐性（AMR）は、世界中で増加している問題だよ。これは、バイキンが変化して、殺すためにデザインされた薬に反応しなくなることで、感染症の治療が難しくなることを指す。医療や農業における抗生物質の過剰使用が、AMRの増加を引き起こしているんだ。それに、マイクロプラスチックの存在みたいな環境の変化も、この問題に寄与している。

状況は深刻になってきてる。2019年には、ヨーロッパで耐性バイ菌による感染が約865,000件発生し、39,000近くの人が亡くなった。世界規模では、AMRに関連する死者数は495万人に達したんだ。この数字は、AMRが健康に影響を及ぼすだけでなく、医療システムにも大きな負担をかけていて、2015年から2050年までの間に経済に約11億ユーロのコストがかかることを示している。

特に低所得地域では、AMRの課題に対処するための新しい方法が強く求められている。AMRを追跡するコスト効果の高い方法が必要で、この急務に対する解決策を見つけるために重要なんだ。

#マイクロ流体技術の重要性

マイクロ流体技術を使えば、科学者たちは微量の液体を扱うことができて、小さな液滴を作ってもっと詳しくバイ菌を研究できる。この液滴は、バイ菌が成長して観察できる小さなラボとして機能するんだ。

有望なアプローチの一つは、実験のためにマイクロ流体液滴を使うこと。画像解析と組み合わせると、この方法でバイ菌がどのように集まるかや抗生物質にどう反応するかについて非常に詳細な情報が得られる。

#バイ菌の集まり方の分析

この研究では、バイ菌を含む液滴の画像を分析し、異なる条件下でのバイ菌の振る舞いを評価する新しい方法を紹介するよ。ここでは、特定のバイ菌、E. coliに焦点を当てていて、特定の照明の下で緑色に光るように改変されているんだ。これにより、バイ菌の識別や研究がしやすくなる。

無料のソフトウェアCellProfilerを使って、バイ菌が抗生物質の低濃度やマイクロプラスチックの存在にどのように反応して集まるかを自動的に測定する画像分析パイプラインを作ったよ。以前の研究でも、CellProfilerはこの種の作業に効果的だって示されている。

#研究結果

#液滴内のバイ菌の集まり方のテクスチャー分析

E. coliで満たされた液滴を使って、CellProfilerでこれらの液滴の画像を分析したんだ。ソフトウェアは、バイ菌がどれだけ塊になっているかに基づいて液滴を分類する手助けをしてくれる。

分析の手順はシンプルだよ。まず、液滴を作ってバイ菌を成長させる。次に、それらの液滴の画像を顕微鏡で撮る。明視野、赤色、緑色チャネルの3種類の画像を収集する。

ソフトウェアはマイクロプラスチックのビーズを検出して、機械学習を使って画像内のビーズがどこにあるかを示す地図を作る。これは重要で、バイ菌がマイクロプラスチックとどのように相互作用するかを研究する手助けになる。

#マイクロプラスチックビーズとバイ菌の同時分析

研究が進むにつれて、CellProfilerの機能を機械学習を使った画像分類プログラムIlastikと組み合わせたんだ。この組み合わせで、液滴内のマイクロプラスチックビーズとバイ菌の両方を分析できるようになった。

新しいセットアップは使いやすいように設計されてる。パイプラインの設定方法については、補足資料に明確な指示があるよ。全体のプロセスをまとめると、以下のようになる：

1. バイ菌を含む液滴を作る。
2. バイ菌が成長する時間を与える。
3. 顕微鏡で画像を撮る。
4. Ilastikを使って明視野画像でマイクロプラスチックを見つける。
5. 赤色チャネルで液滴を検出する。
6. 緑色チャネルの画像に基づいて液滴のテクスチャーを分析する。
7. さらなる分析のためのデータをエクスポートする。

#画像分析のための高スループット法

これらの画像分析パイプラインは、バイ菌が低抗生物質濃度やマイクロプラスチックの存在といったさまざまな環境条件にどのように集まるかを調べるための効果的なツールだよ。

このシンプルなアプローチは、豊富なバイオインフォマティクスのトレーニングを受けていないラボの専門家にも役立つ。新しい抗菌戦略の効果を評価するプロセスを簡素化して、信頼性と一貫性のある結果を得やすくするんだ。

#将来の研究の可能性

私たちが開発したパイプラインは役立つけど、改善の余地はまだまだある。異なる条件下でのバイ菌の振る舞いに関するデータをもっと集めることで、これらの分析方法の精度が向上するはず。

結論として、私たちが紹介した技術は、マイクロ流体液滴内のバイ菌の集まりを迅速かつ効果的に評価する可能性を秘めている。これらの方法は、バイ菌の耐性や新しい治療法の開発に関するさらなる研究への道を切り開くかもしれない。

#使用したバイ菌の理解

この研究で使ったE. coliの株は、緑色の蛍光タンパク質でマークされた特別なバージョンなんだ。これにより、科学者たちはその動きや振る舞いをもっと簡単に追跡できるようになる。

実験のためにバイ菌を準備するには、栄養豊富な寒天プレートで育てたE. coliの単一コロニーからスタートしたんだ。このコロニーを液体ブロスに移して、一晩成長させた。その後、特定の濃度に希釈して蛍光染料と混ぜたよ。

#実験用の液滴の生成

実験を行うためには、特定のサイズの液滴を作る必要があった。均一な液滴を得るためには、液滴のサイズをコントロールできる特別なマイクロ流体チップを使った。

より幅広いサイズの液滴を得るためには、オイル、染料、バイ菌懸濁液を試験管に混ぜて激しく振った方法を使用した。この方法で得られた液滴が、私たちの分析に使われた。

#液滴の画像撮影

液滴の画像を撮るときは、特殊な顕微鏡を使った。細胞計数チャンバーを液滴で満たして、顕微鏡を使って特定の光の波長でバイ菌を強調するように画像を撮った。

高解像度で画像を収集して、効果的に詳細を分析できるようにした。

#分析に使用したソフトウェア

最後に、私たちが撮影した画像を分析するために、強力なソフトウェアCellProfilerを使用した。このソフトウェアは使いやすく設計されていて、画像のバッチ処理ができるから、私たちのニーズにとって非常に効率的なんだ。

すべての処理はMacBook Airで行い、結果はExcelソフトウェアを使って分析したので、さらに探求や研究しやすい。

#結論

この研究は、抗菌薬耐性への対処の重要性を強調して、バイ菌の振る舞いを研究するための新しい方法を提供している。マイクロ流体液滴と高度な画像分析技術を使うことで、バイ菌が環境要因にどう反応するかについて貴重な洞察を得ることができる。

ここで開発したツールと方法は、この重要な分野における将来の研究への道を切り開き、AMRに対抗する効果的な解決策を見つけることを目指している。研究が進む中で、これらの技術を洗練させて、実世界でのアプリケーションを探求することが重要で、最終的にはより良い健康結果と微生物耐性の理解を深めることにつながるよ。