Искусственный интеллект и оптика ускоряют обнаружение вирусов

Исследователи разработали автоматизированную версию анализа вирусных бляшек, золотого стандарта для обнаружения и количественного определения вирусов. Новый метод использует покадровую голографическую визуализацию и глубокое обучение, чтобы значительно сократить время обнаружения и исключить окрашивание и ручной подсчет. Этот прогресс может помочь оптимизировать разработку новых вакцин и противовирусных препаратов.

Ючжу Ли из лаборатории Озкан Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) представит это исследование на конференции Frontiers in Optics + Laser Science (FiO LS), которая пройдет с 9 по 12 октября 2023 года в конференц-центре Greater Tacoma в Такоме. (Большой Сиэтл), Вашингтон.

«Сокращая время обнаружения по сравнению с традиционными анализами вирусных бляшек, этот метод может помочь ускорить исследования по разработке вакцин и лекарств за счет значительного сокращения необходимого времени обнаружения и полного исключения химического окрашивания и ручного подсчета», — объясняет Ли. «В случае появления нового В случае вспышки вируса вакцины или противовирусные методы лечения могут разрабатываться, тестироваться и предоставляться населению значительно ускоренными темпами, что приведет к более быстрому реагированию на чрезвычайные ситуации в области здравоохранения, вызванные вирусами».

Хотя анализ вирусных бляшек является экономически эффективным способом оценки инфекционности вируса и количественного определения количества вируса в образце, его выполнение требует много времени. Образцы сначала разбавляют, а затем добавляют к культивируемым клеткам. Если вирус убивает инфицированные клетки, развивается область, свободная от клеток — бляшка. Затем эксперты вручную подсчитывают окрашенные бляшкообразующие единицы (БОЕ). Этот процесс подвержен неравномерности окрашивания и человеческим ошибкам при подсчете.

Новая автоматизированная система анализа вирусных бляшек без окрашивания заменяет ручной подсчет бляшек системой голографической визуализации без линз, которая отображает пространственно-временные особенности БОЕ во время инкубации. Затем используется алгоритм глубокого обучения для обнаружения, классификации и определения местонахождения PFU на основе наблюдаемых изменений.

Чтобы продемонстрировать эффективность своей системы, исследователи заразили культивируемые клетки вирусом везикулярного стоматита. Всего за 20 часов инкубации автоматизированная система обнаружила более 90% вирусных БОЕ без каких-либо ложных срабатываний. Это было намного быстрее, чем традиционный анализ бляшек, который требует 48 часов инкубации этого вируса. Они также применили автоматизированный подход к вирусу простого герпеса 1 типа и вирусу энцефаломиокардита. Они продемонстрировали еще более короткое время инкубации этих вирусов, сэкономив в среднем около 48 и 20 часов соответственно.

Исследователи сообщают, что во все моменты времени не было обнаружено ни одного ложноположительного результата. Кроме того, поскольку система может идентифицировать отдельные БОЕ на ранней стадии их роста, до образования кластеров БОЕ, ее можно использовать для анализа вирусных образцов с примерно в 10 раз более высокими концентрациями вируса, чем традиционные подходы.

«Что касается следующих шагов, исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе совершенствуют конструкцию своей системы, чтобы еще больше повысить ее чувствительность и специфичность к различным типам вирусов, открывая путь к широкому внедрению в лабораторных и промышленных условиях, — сказал Ли. — Они также изучают другие потенциальные применения. этого метода в вирусологических исследованиях для высокопроизводительного и экономически эффективного скрининга противовирусных препаратов».

О передовых рубежах оптики и лазерной науки

Frontiers in Optics, ежегодное собрание Optica (ранее OSA), представлено Laser Science, ежегодным собранием Отдела лазерной науки Американского физического общества. Эти две встречи объединяют сообщества обоих обществ для всесторонних и текущих исследований по разнообразным темам оптики и фотоники, а также по дисциплинам физики, биологии и химии. Конференция FiO LS 2023 года будет проводиться как личное мероприятие, на котором будут представлены сотни живых и приглашенных выступлений, а также дополнительный контент по запросу, доступный для онлайн-просмотра. Регистрация СМИ бесплатна при наличии учетных данных. Цифровые активы доступны по запросу.