Rapid identification of the resistance of urinary tract pathogenic bacteria using deep learning–based spectroscopic analysis

致病菌 细菌 抗生素耐药性 微生物学 抗生素 拉曼散射 拉曼光谱 人工智能 生物 计算机科学 光学 物理 遗传学
作者
Qiuyue Fu,Yan‐Jiao Zhang,Peng Wang,Jiang Pi,Xun Qiu,Zhusheng Guo,Ya Huang,Yi Zhao,Shaoxin Li,Jun‐Fa Xu
出处
期刊:Analytical and Bioanalytical Chemistry [Springer Nature]
卷期号:413 (30): 7401-7410 被引量:19
标识
DOI:10.1007/s00216-021-03691-z
摘要

The resistance of urinary tract pathogenic bacteria to various antibiotics is increasing, which requires the rapid detection of infectious pathogens for accurate and timely antibiotic treatment. Here, we propose a rapid diagnosis strategy for the antibiotic resistance of bacteria in urinary tract infections (UTIs) based on surface-enhanced Raman scattering (SERS) using a positively charged gold nanoparticle planar solid SERS substrate. Then, an intelligent identification model for SERS spectra based on the deep learning technique is constructed to realize the rapid, ultrasensitive, and non-labeled detection of pathogenic bacteria. A total of 54,000 SERS spectra were collected from 18 isolates belonging to 6 species of common UTI bacteria in this work to realize identification of bacterial species, antibiotic sensitivity, and multidrug resistance (MDR) via convolutional neural networks (CNN). This method significantly simplify the Raman data processing processes without background removing and smoothing, however, achieving 96% above classification accuracy, which was significantly greater than the 85% accuracy of the traditional multivariate statistical analysis algorithm principal component analysis combined with the K-nearest neighbor (PCA-KNN). This work clearly elucidated the potential of combining SERS and deep learning technique to realize culture-free identification of pathogenic bacteria and their associated antibiotic sensitivity.
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