科學家們正在使用一種類似雷達的天氣系統來觀察活體組織中醞釀的大量病原體。

這組作者說，這種策略是完全新穎的，它依賴於一種非常類似於多普勒雷達的技術，這種技術可以探測降水的運動並預測即將到來的天氣模式。

多普勒超聲波，利用聲波來生成血液流動的影象，已經在醫療領域使用，但這項新技術可以讓科學家窺視單個細胞內部，看看它們如何應對沙門氏菌和大腸桿菌等病原體。

有一天，這些知識可以讓我們快速判斷活體組織是否含有微生物，併成功地治療這種感染。

2020年，研究小組使用了類似的生物動力學成像技術來識別癌細胞，並測試化療在擊退癌細胞方面的有效性。

“我們首先將生物動力學成像應用於癌症，現在我們正將其應用於其他型別的細胞，”普渡大學生物醫學成像專家戴維·諾爾特說。

“這項研究是獨一無二的。沒有人做過這樣的事。這就是它如此吸引人的原因。”

光散射到活體組織會產生一系列的多普勒頻移，這可以讓科學家瞭解活體組織細胞內發生了什麼。

眾所周知，這種多普勒“指紋”對細胞內過程的細微變化非常敏感，包括細菌入侵。

當細菌感染活體宿主時，它可以改變組織細胞的動態，使一些細胞充當“哨兵”，報告病原體的影響及其對抗生素治療的反應。

科學家們可以對這些不同的頻率範圍進行解釋，從而更好地瞭解一種感染的真實特徵以及如何最好地對抗它。

為了展示這種技術是如何工作的，研究人員使用了一個標準的結腸癌細胞系，並將它引入幾種食源性病原體中，觀察它的第一行細胞——“哨兵”——對不同感染的反應。

侵入性沙門氏菌可以穿透腫瘤，而非侵入性大腸桿菌仍然被隔離在細胞外。這兩種情況最終產生了不同的多普勒訊號。

生物工程師Michael Ladisch說:“這可以直接測量一個細胞是否具有致病性。”

“如果細胞不具有致病性，多普勒訊號就不會改變。如果是的話，多普勒訊號會發生顯著變化。”

使用其他方法，研究人員可以找出活體組織中實際存在的病原體。正如拉迪施解釋的那樣，這是“一種快速區分朋友和敵人的方法。”

一旦這項工作完成，就可以在細胞繫上使用抗生素，並用熒光染料跟蹤反應。多普勒頻移可以揭示哪些感染對藥物有抗藥性，哪些對藥物反應良好。

使用目前的技術，即在實驗室中培養病人的組織，需要8到10個小時才能判斷一種抗生素是否有效。

在大約一半的時間裡，這種新的“生物動力學過程”可以在微小的培養皿中測試多種不同的藥物，以觀察是否有代謝變化。

研究人員說，那些確實顯示出變化的樣本是那些對抗生素反應良好的樣本，這意味著“細菌正在死亡，被抗生素打敗和擊退。”

諾爾特解釋說:“當我們用抗生素治療時，細菌不必大量繁殖，就會開始影響組織哨兵。”

“細菌仍然太少，無法直接觀察或測量，但它們開始影響組織的行為，我們可以用多普勒檢測。”

作者希望他們的新技術將允許醫生開個性化的抗生素，而不是廣譜抗生素，廣譜抗生素會讓一些細菌存活，導致抗生素耐藥性，並使感染在未來更難對抗。

實驗是在正常的生物環境之外人工培養的組織上進行的，而且由於該裝置對振動和運動很敏感，目前還不清楚這項技術是否能適用於活著和呼吸的患者。

這就是說，作者們希望他們能找到一種方法來對抗他們裝置的敏感性，讓受感染的組織可以在病人身體的外部進行掃描，甚至有一天也可以在病人體內進行掃描。