기계 학습의 지원을 받는 라만 분광법을 사용하여 최소한으로 준비된 박테리아 표현형을 정확하고 빠르게 식별합니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16436(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

항생제 내성(AMR)의 전 세계적인 증가는 인류 건강에 심각한 위협이 되고 있습니다. AMR의 확산을 막기 위해서는 최적의 항생제 관리를 촉진하는 빠르고 신뢰할 수 있는 진단 도구가 충족되지 않은 요구 사항입니다. 이와 관련하여 라만 분광법은 단일 단계로 신속한 라벨 및 무배양 식별과 항균제 감수성 테스트(AST)를 보장합니다. 그러나 많은 라만 기반 박테리아 식별 및 AST 연구에서 인상적인 결과가 입증되었음에도 불구하고 몇 가지 단점을 해결해야 합니다. 개념 증명 연구와 임상 적용 사이의 격차를 해소하기 위해 우리는 최소한으로 준비된 박테리아 표현형을 빠르게 식별하고 메티실린 내성(MR)을 구별하기 위해 새로운 데이터 증강 알고리즘과 결합된 기계 학습 기술을 개발했습니다. 메티실린 감수성(MS) 박테리아. 이를 위해 우리는 박테리아의 초분광 라만 이미지에 대한 스펙트럼 변환기 모델을 구현했습니다. 우리는 우리 모델이 정확도와 훈련 시간 측면에서 다양한 분류 문제에 대해 표준 컨벌루션 신경망 모델보다 성능이 우수하다는 것을 보여줍니다. 우리는 15개의 서로 다른 클래스로 구성된 데이터세트에서 96% 이상의 분류 정확도와 6개의 MR-MS 박테리아 종에 대해 95.6%의 분류 정확도를 달성했습니다. 더 중요한 것은 우리의 결과는 빠르고 생성하기 쉬운 교육 및 테스트 데이터만을 사용하여 얻은 것입니다.

하드웨어(라만 현미경) 및 소프트웨어(스펙트럼 변환기 아키텍처) 개요. (a) 한천 플레이트의 박테리아를 CaF\(_2\) 대물 슬라이드로 직접 옮긴 다음 측정하는 간단한 박테리아 샘플 준비입니다. 박테리아를 옮기고 찾는 과정은 1분도 채 걸리지 않습니다. (b) 집에서 만든 라만 현미경의 개략도. 라만 현미경은 785 nm의 여기 파장을 사용합니다. 왜냐하면 이 파장은 형광을 크게 피하고 여전히 합리적인 신호 대 신호에서 CCD에 의한 검출을 가능하게 할 만큼 충분히 높은 라만 신호를 제공하기 때문에 박테리아 식별에 최적인 것으로 밝혀졌기 때문입니다. 잡음비(SNR). 100× 현미경 대물렌즈(MO)는 여기 레이저(점 크기 \(\sim \) 1 \(\upmu \)m)의 초점을 맞추고 라만 산란광 수집 및 시각적 이미징에 사용됩니다. 래스터 스캐닝은 자동화된 XYZ 스테이지를 통해 이루어집니다. 이색성 거울(DM)(고역 750nm)은 박테리아 이미징 및 위치 파악을 위해 가시 조명광을 CCD에 결합하는 데 사용되며, 또 다른 DM(고역 805nm)은 라만 산란광을 펌프에서 분리합니다. 785nm 펌프의 필터링에는 추가적인 고역 통과 필터(HPF, 800 nm)와 대역 통과 필터(BPF, 785 nm ± 10 nm)가 사용됩니다. 내장 현미경의 시야각은 약 60 \(\upmu \)m \(\times \) 60 \(\upmu \)m이며 라만 스펙트럼은 700-1600의 파수 ​​이동에서 수집됩니다. cm\(^{-1}\)는 Horiba 분광기로 측정됩니다. (c) 개발된 기계 학습 도구의 블록 다이어그램. ST(스펙트럼 변환기)는 선택적 위치 임베딩 레이어와 드롭아웃 레이어로 구성됩니다. 다음 레이어는 레이어 정규화, 멀티헤드 어텐션, 레이어 정규화, 그리고 GELU 비선형성이 있는 MLP(다층 퍼셉트론)를 순차적으로 포함하는 변환기-인코더 블록입니다. 변환기-인코더 출력 뒤에는 계층 정규화 및 시퀀스 풀링 계층이 옵니다. 마지막으로 출력 레이어는 완전히 연결된 선형 레이어입니다.

코로나 팬데믹과 같은 일부 건강 위기는 예측 불가능하고 즉각적인 조치가 필요한 반면, 다른 위기는 진행 속도가 느리고 본질적으로 다루기 어렵지만 시간이 지나면 인간 건강에 더 큰 위협이 될 수 있습니다1,2. 후자의 예로는 AMR(항균제 내성)3,4,5,6이 있습니다. AMR은 박테리아나 곰팡이 같은 미생물이 일반적으로 미생물의 성장을 억제하거나 죽이는 화합물에 노출되어도 살아남을 때 발생합니다. 이는 선택 과정을 촉진하여 탄력성을 갖춘 균주가 성장하고 확산되도록 합니다. AMR은 자연적으로 발생하는 과정이지만 항균제의 남용과 같은 선택적 압력에 의해 극적으로 가속화됩니다7,8,9,10,11. 박테리아에서 AMR을 식별하는 데 사용되는 기존 기술은 디스크 확산 테스트, 입실로미터 테스트 및 미세희석이며, 배양이 필요하고 며칠이 걸릴 수 있습니다12,13. 이러한 기술의 긴 처리 시간은 감염된 환자의 생명을 위협할 수 있지만 병원성 박테리아가 확산되어 더 많은 사람들을 감염시킬 수 있기 때문에 문제도 됩니다. 따라서 환자에게 광범위한 항생제를 처방하는 것이 일반적이며 이는 불필요한 치료로 이어집니다14. 따라서 이미 광범위하게 확산되고 증가하는 항균 요법의 부적절성은 의료 및 농업 분야에서 항균제를 남용한 데 기인합니다5,8,15. 2019년 세계보건기구(WHO)는 AMR을 "인류가 직면한 10대 공중보건 위협 중 하나"로 선언했으며, UN 임시 항균제 내성에 관한 부처 간 조정 그룹(IACG)이 발표한 보고서에 따르면 아무런 조치도 취하지 않을 경우 항생제 내성 병원체를 복용하면 2050년까지 매년 1천만 명이 사망할 수 있습니다2.