Slovenskí vedci spájajú sily v boji proti stafylokokovej infekcii

Výzva: Rozpoznať, či je tkanivo napadnuté baktériami, nie je vždy jednoduché. V raných štádiách infekcie sa rozdiely medzi zdravými a poškodenými bunkami často nedajú zachytiť ani pod mikroskopom. Klasické biochemické testy síce dokážu potvrdiť prítomnosť baktérií, no zvyčajne sú časovo náročné a vyžadujú odber vzoriek.

Riešenie: Aby bolo možné identifikovať jemné rozdiely medzi zdravým a infikovaným tkanivom, výskumníci sa rozhodli prepojiť experimentálne merania s pokročilým spracovaním dát. Ramanove spektrá získané z rôznych hĺbok a oblastí tkaniva obsahovali obrovské množstvo informácií, ktoré nebolo možné spoľahlivo vyhodnotiť bežnými vizuálnymi metódami.

Vedci preto chceli overiť, či touto metódou možno spoľahlivo rozlíšiť zdravé tkanivo od tkaniva infikovaného baktériou Staphylococcus aureus, ktorá patrí medzi najčastejších pôvodcov zápalov kože a slizníc. Zároveň sa výskumníci zamerali na sledovanie účinnosti fotodynamickej liečby – experimentálnej terapie založenej na uhlíkových kvantových bodkách, ktoré po osvietení modrým viditeľným svetlom ničia baktérie bez poškodenia zdravých buniek.

Využitie HPC infraštruktúry

Tím využil matematickú analýzu založenú na euklidovskom kosínuse zo štvorcov prvých diferencovaných hodnôt, ktorá umožňuje porovnávať podobnosť medzi spektrami po ich transformácii. Táto metóda eliminuje vplyv pozadia, zvýrazňuje chemické zmeny v štruktúre tkaniva a umožňuje presne identifikovať rozdiely spôsobené prítomnosťou baktérií alebo účinkom liečby.

Na spracovanie rozsiahlych datasetov boli využité výpočtové kapacity superpočítača. Vďaka paralelnému spracovaniu dát bolo možné rýchlo analyzovať stovky meraní z rôznych vrstiev tkaniva a vizualizovať ich podobnosť v prehľadnej matici výsledkov. Takýto prístup by bol pri manuálnom vyhodnocovaní prakticky nemožný.

Riešenie vzniklo vďaka úzkej spolupráci odborníkov z viacerých disciplín – biológie, fyziky, materiálového výskumu aj výpočtovej vedy. Rekonštituované tkanivá pokožky boli zabezpečené laboratóriami SK-NETVAL na Ústave experimentálnej farmakológie a toxikológie, Centra experimentálnej medicíny SAV, v.v.i. ktoré vykonalo aj expozíciu testovaným látkam. Fotodynamická liečba bola aplikovaná tímom z Ústavu polymérov SAV, v.v.i. a Ramanove dáta boli namerané na Fyzikálnom ústave SAV, v.v.i. v spolupráci s Centrom pre využitie pokročilých materiálov.

Výsledky

Analýza spektrálnych dát ukázala, že medzi zdravým a infikovaným tkanivom existujú výrazné chemické rozdiely, ktoré možno zachytiť pomocou Ramanovej mikroskopie. Vzorky infikované baktériou Staphylococcus aureus vykazovali odlišné spektrálne charakteristiky vo všetkých skúmaných hĺbkach.

Zvlášť zaujímavé boli výsledky u vzoriek, ktoré prešli fotodynamickou liečbou. Po aplikácii uhlíkových kvantových bodov a následnej aktivácii modrým svetlom sa chemické spektrá výrazne priblížili k hodnotám zdravého tkaniva. To naznačuje, že liečba účinne potláča bakteriálnu infekciu bez poškodenia samotných buniek.

Použitý algoritmus sa ukázal ako spoľahlivý a rýchly nástroj na porovnávanie spektrálnych dát. Vďaka jeho implementácii v HPC prostredí bolo možné spracovať veľké množstvo meraní automaticky a vyhodnotiť výsledky objektívne, bez subjektívneho zásahu výskumníka.

Dopad a potenciál do budúcnosti

Projekt priniesol nové poznatky o možnostiach využitia svetla a dátovej analýzy v medicínskej diagnostike. Ukázal, že spojenie Ramanovej mikroskopie s výpočtovými metódami umožňuje nielen identifikovať bakteriálnu infekciu v tkanive, ale aj sledovať účinnosť liečby v reálnom čase.

V budúcnosti môže tento prístup nájsť uplatnenie pri vývoji nových antibakteriálnych terapií či pri predklinickom testovaní liečiv, kde je potrebné rýchlo a presne zhodnotiť zmeny v štruktúre tkaniva bez invazívnych zásahov. Výskumný tím zároveň plánuje rozšíriť metodiku na iné typy baktérií a tkanív a využiť výkon superpočítača aj na testovanie pokročilých algoritmov umelej inteligencie, ktoré by mohli analýzu ešte viac zautomatizovať.

Projekt je dôkazom, že prepojenie biomedicíny, fyziky, materiálového výskumu a výpočtovej vedy otvára nové možnosti pre diagnostiku a liečbu chorôb.
Slovenské výskumné tímy tak nielen potvrdzujú svoju odbornú úroveň, ale aj prispievajú k posunu hraníc modernej medicíny.