Rapid identification of pathogenic bacteria using Raman spectroscopy and deep learning.

细菌 鉴定(生物学) 计算机科学 人工智能 微生物学 化学 深度学习
作者
Chi-Sing Ho,Neal Jean,Catherine A. Hogan,Lena Blackmon,Stefanie S. Jeffrey,Mark Holodniy,Niaz Banaei,Amr A. E. Saleh,Stefano Ermon,Jennifer A. Dionne
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:10 (1): 4927-4927 被引量:177
标识
DOI:10.1038/s41467-019-12898-9
摘要

Raman optical spectroscopy promises label-free bacterial detection, identification, and antibiotic susceptibility testing in a single step. However, achieving clinically relevant speeds and accuracies remains challenging due to weak Raman signal from bacterial cells and numerous bacterial species and phenotypes. Here we generate an extensive dataset of bacterial Raman spectra and apply deep learning approaches to accurately identify 30 common bacterial pathogens. Even on low signal-to-noise spectra, we achieve average isolate-level accuracies exceeding 82% and antibiotic treatment identification accuracies of 97.0±0.3%. We also show that this approach distinguishes between methicillin-resistant and -susceptible isolates of Staphylococcus aureus (MRSA and MSSA) with 89±0.1% accuracy. We validate our results on clinical isolates from 50 patients. Using just 10 bacterial spectra from each patient isolate, we achieve treatment identification accuracies of 99.7%. Our approach has potential for culture-free pathogen identification and antibiotic susceptibility testing, and could be readily extended for diagnostics on blood, urine, and sputum. The use of Raman spectroscopy for pathogen identification is hampered by the weak Raman signal and phenotypic diversity of bacterial cells. Here the authors generate an extensive dataset of bacterial Raman spectra and apply deep learning to identify common bacterial pathogens and predict antibiotic treatment from noisy Raman spectra.
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