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细菌静止性通常是致病菌的关键毒力因素。钻研细菌静止性的常用格式是荧光标识，它可以检测群体或宿主组织中的单个细菌细胞。然而，荧光标识的利用可能会受到蛋白质表达稳定性和/或细菌生理学干扰的阻碍。
日本东北大学（Tohoku University）的钻研职员将机械进修应用于显微图象分析，以对培育的动物细胞上的人畜共患细菌问号钩端螺旋体进行无标识静止跟踪。该团队利用从人类患者或动物身上分离出的各种钩端螺旋体菌株，以及渐变菌株。
与严重疾病相关的菌株和缺乏外膜蛋白（OMP）的渐变菌株往往表现出快速的移动性和对培育肾细胞的粘附性降低。该格式不需要荧光标识或基因操作，因此可以应用于钻研许多其他细菌物种的静止性。
该钻研以「Machine learning-based motion tracking reveals an inverse correlation between adhesivity and surface motility of the leptospirosis spirochete」为题，于 2023 年 12 月 5 日发布在《Nature Communications》。
细菌的静止能力使它们能够积极探索有利于其生长的环境，促进其增殖。尽管已知细菌静止的形式多种多样，但鞭毛是主要的体制。例如，大肠杆菌、肠沙门氏菌和霍乱弧菌所具有的细胞外鞭毛的旋转通过与液体的相互作用来推动细菌。
一些物种利用细胞外鞭毛在覆盖有粘性物质的表面上聚集。当物种是疾病的病原体时，静止通常涉及宿主内的入侵、迁移和疾病的发展。因此，了解静止作为毒力因子的作用将有助于药物的开发和预防传染的新策略的提出。
钩端螺旋体病是一种在全球蔓延的新兴人畜共患病。就对人类健康的威胁而言，钩端螺旋体病的螺旋体病原体钩端螺旋体属（Leptospira spp.）每年已造成约100万例重症病例和约6万人死亡。致病性钩端螺旋体属已被分为 250 多个血清型，受传染动物的临床症状因宿主物种和钩端螺旋体血清型的组合而异。
图：观察细菌在培育细胞上的静止。（来源：论文）
在各种条件下（例如溶液、组织和人造微结构）直接观察细菌已成为钻研病原体动力学和静止体制方面疾病体制的传统格式。这些实验通常跟踪人群中的代表性细菌或检测活细胞中的细菌，这需要用荧光蛋白或染料标识物体。然而，并非所有细菌菌株都能承受基因工程并表达荧光蛋白。标识可能会影响细菌的生理学和动力学。
在最新的钻研中，日本东北大学的钻研职员开发了一种无标识静止跟踪格式，用于阐明钩端螺旋体在宿主细胞上移动的体制。该无标签细菌跟踪格式利用基于机械进修的图象处理，通过从原始图象中减去布景来突出显示移动物体。经过处理的图象可以对培育的动物细胞上的细菌静止进行无标识分析，从而深入了解宿主细胞上钩端螺旋体静止的体制以及静止作为毒力因子的重要性。
图：利用机械进修对培育细胞进行无标识细菌跟踪。（来源：论文）
粘附对于细菌传染和致病性以及随后的入侵或毒素注射至关重要。对于一些能静止的细菌，外部鞭毛可能具有粘附素的作用，例如肠致病性大肠杆菌（EPEC）的 H2 和 H6 以及肠出血性大肠杆菌（EHEC）的 H7。沙门氏菌属鞭毛介导的粘附是血清型依赖性的，这对于肠炎血清型和都柏林血清型是必需的，但对于鼠伤寒血清型则不是必需的。
钻研职员发现钩端螺旋体细菌的鞭毛独立粘附使其能够在肾细胞上移动。钻研职员利用临床分离株和 OMP 缺陷渐变体进行的实验表明，细菌粘附和匍匐之间呈负相关。
图：匍匐和细胞旋转与粘附的关联。（来源：论文）
通过绘制无症状和严重症状对数据的依从性和匍匐性之间的负相关性，重申了静止性对毒力的作用。此外，简单的数值分析表明细菌粘附对于细菌-宿主界面中的迁移性具有重要意义。致病性钩端螺旋体与宿主物种之间存在着巨大的结合，这表明其致病体制包括细菌与宿主之间复杂的战斗，其中涉及免疫反应和基因调控。
致病性钩端螺旋体外膜中的大量蛋白质对宿主细胞成分具有不同的粘附亲和力，其中一些蛋白质（例如 LigA）显示出宿主特异性特性。
图：L. interrogans serovar Manilae 野生型和渐变株在 MDCK 上的粘附和匍匐能力。（来源：论文）
此外，尽管该钻研重点关注到达器官后几个小时发生的现象，但需要更长时间的监测才能具体讨论特定组织的发病体制和持续传染。宿主细胞上参与钩端螺旋体粘附和匍匐的受体的鉴定。它们与发病体制的实际相关性是未来的主题。
如果不利用机械进修进行静止分析，该无标签实验就不会成功。布景扣除已成为监控系统场景分析中检测侵入物体的常用过程。该团队成功地将计算机视觉技术引入体外细菌传染测定中，可适用于探针标识或基因操作困难的多种活细胞。此外，该格式可用于单分子跟踪以钻研膜蛋白扩散或周转，即使目标分子被荧光标识，由于信号强度低，通常很难检测到。还开发了其他格式来消除视频数据中的布景噪声。
关于它们在传染病钻研中的应用，钻研职员开发了一种格式，通过减去时间轴上的最小亮度、所有帧的中值亮度和局部空间布景，从患者活检中细菌衍生散射的视频数据中去除布景。该格式不需要繁琐的样品预处理，但可以在广泛的细菌浓度范围内进行快速诊断和抗生素敏感性测试。因此，布景扣除格式有望有助于旨在阐明生命系统的各种钻研。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43366-0