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Rapid, antibiotic incubation-free determination of tuberculosis drug resistance using machine learning and Raman spectroscopy

莫西沙星 结核分枝杆菌 肺结核 微生物学 抗生素 抗药性 病菌 抗生素耐药性 利福平 异烟肼 人工智能 医学 机器学习 生物 病理 计算机科学
作者
Babatunde Ogunlade,Loza F. Tadesse,Hongquan Li,Nhat Vu,Niaz Banaei,Amy K. Barczak,Amr A. E. Saleh,Manu Prakash,Jennifer A. Dionne
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (25) 被引量:8
标识
DOI:10.1073/pnas.2315670121
摘要

Tuberculosis (TB) is the world’s deadliest infectious disease, with over 1.5 million deaths and 10 million new cases reported anually. The causative organism Mycobacterium tuberculosis (Mtb) can take nearly 40 d to culture, a required step to determine the pathogen’s antibiotic susceptibility. Both rapid identification and rapid antibiotic susceptibility testing of Mtb are essential for effective patient treatment and combating antimicrobial resistance. Here, we demonstrate a rapid, culture-free, and antibiotic incubation-free drug susceptibility test for TB using Raman spectroscopy and machine learning. We collect few-to-single-cell Raman spectra from over 25,000 cells of the Mtb complex strain Bacillus Calmette-Guérin (BCG) resistant to one of the four mainstay anti-TB drugs, isoniazid, rifampicin, moxifloxacin, and amikacin, as well as a pan-susceptible wildtype strain. By training a neural network on this data, we classify the antibiotic resistance profile of each strain, both on dried samples and on patient sputum samples. On dried samples, we achieve >98% resistant versus susceptible classification accuracy across all five BCG strains. In patient sputum samples, we achieve ~79% average classification accuracy. We develop a feature recognition algorithm in order to verify that our machine learning model is using biologically relevant spectral features to assess the resistance profiles of our mycobacterial strains. Finally, we demonstrate how this approach can be deployed in resource-limited settings by developing a low-cost, portable Raman microscope that costs <$5,000. We show how this instrument and our machine learning model enable combined microscopy and spectroscopy for accurate few-to-single-cell drug susceptibility testing of BCG.

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