Введение

Параметр в микробиологии
человеческая гематопоэтическая клетка
В микробиологии колониеобразующая единица (CFU, cfu или Cfu) – это единица измерения, позволяющая оценить количество жизнеспособных микробных клеток (бактерий, грибов, вирусов и т.д.) в образце, способных к размножению посредством бинарного деления в контролируемых условиях. Подсчет колониеобразующих единиц требует культивирования микробов и учитывает только жизнеспособные клетки, в отличие от микроскопического исследования, которое подсчитывает все клетки, как живые, так и мертвые. Для визуализации колонии в культуре клеток необходим значительный рост, и при подсчете колоний невозможно точно определить, произошла ли колония из одной клетки или группы клеток. Выражение результатов в колониеобразующих единицах отражает эту неопределенность.

Теория

Целью посевного подсчета является оценка количества присутствующих клеток, основанная на их способности образовывать колонии в определенных условиях питательной среды, температуры и времени. Теоретически, одна жизнеспособная клетка может дать начало колонии посредством репликации. Однако отдельные клетки – скорее исключение, чем правило в природе, и, вероятнее всего, предшественником колонии является скопление клеток, попавших вместе. Кроме того, многие бактерии растут цепочками (например, стрептококки) или группами (например, стафилококки). По этим причинам оценка количества микроорганизмов по КФУ (колониеобразующим единицам) в большинстве случаев занижает количество живых клеток в образце. Это связано с тем, что подсчет КФУ предполагает, что каждая колония отдельна и образована одной жизнеспособной микробной клеткой. Посевной подсчет является линейным для E. coli в диапазоне от 30 до 300 КФУ на чашке Петри стандартного размера. Следовательно, для обеспечения получения КФУ в этом диапазоне требуется разбавление образца и посев нескольких разведений. Обычно используются десятикратные разведения, и серию разведений высевают повторно по 2 или 3 раза в выбранном диапазоне разведений. Часто высевают 100 мкл, но также используют большие объемы до 1 мл. Увеличение объема посева увеличивает время высыхания, но часто не повышает точность, поскольку могут потребоваться дополнительные этапы разбавления. Количество КФУ на чашке считывается в линейном диапазоне, а затем количество КФУ/г (или КФУ/мл) в исходном образце вычисляется математически с учетом объема посева и коэффициента разведения. Преимущество этого метода заключается в том, что различные виды микроорганизмов могут образовывать колонии, которые отчетливо отличаются друг от друга как микроскопически, так и макроскопически. Морфология колоний может быть очень полезна при идентификации присутствующего микроорганизма. Предварительное знание микроскопического строения организма может дать лучшее понимание того, как наблюдаемое количество КФУ/мл соотносится с количеством жизнеспособных клеток в миллилитре. В качестве альтернативы, в некоторых случаях можно уменьшить среднее количество клеток на КФУ, перемешивая образец на вортексе перед проведением разведения. Однако многие микроорганизмы чувствительны и могут потерять жизнеспособность при воздействии вортекса.

Логописная обозначение

Концентрации образующих колонии единиц могут быть выражены в логарифмической форме, где указанное значение является десятичным логарифмом концентрации. Это позволяет вычислить логарифмическое снижение процесса деконтаминации как простое вычитание.

Инструменты для подсчета колоний

Подсчет колоний традиционно выполняется вручную с помощью ручки и счетчика кликов. Обычно это несложная задача, но она может стать очень утомительной и занимать много времени при подсчете большого количества чашек Петри. В качестве альтернативы можно использовать полуавтоматические (программные) и автоматические (аппаратно-программные) решения.

Программное обеспечение для подсчета КФУ

Количества колоний можно подсчитать по фотографиям чашек Петри с помощью программного обеспечения. Экспериментаторы обычно фотографируют каждую чашку, которую необходимо посчитать, а затем анализируют все снимки (это можно сделать с помощью обычной цифровой камеры или даже веб-камеры). Поскольку на создание одного снимка уходит менее 10 секунд, в то время как ручной подсчет КОЕ занимает несколько минут, такой подход обычно значительно экономит время. Кроме того, он более объективен и позволяет извлекать другие параметры, такие как размер и цвет колоний. OpenCFU – это бесплатная программа с открытым исходным кодом, разработанная для оптимизации удобства использования, скорости и надежности. Она предлагает широкий спектр фильтров и настроек, а также современный пользовательский интерфейс. OpenCFU написана на C++ и использует OpenCV для анализа изображений. NICE – это программа, написанная на MATLAB, которая обеспечивает простой способ подсчета колоний по изображениям. ImageJ и CellProfiler: некоторые макросы и плагины ImageJ, а также некоторые пайплайны CellProfiler могут использоваться для подсчета колоний. Это часто требует от пользователя изменения кода для достижения эффективного рабочего процесса, но может оказаться полезным и гибким. Основная проблема заключается в отсутствии специализированного графического интерфейса, что может сделать взаимодействие с алгоритмами обработки утомительным. Помимо программного обеспечения для традиционных настольных компьютеров, для полуавтоматического и автоматического подсчета колоний доступны приложения для устройств Android и iOS. Встроенная камера используется для фотографирования чашки Петри, а внутренний или внешний алгоритм используется для обработки данных изображения и оценки количества колоний.

Автоматизированные системы

Многие автоматизированные системы используются для снижения влияния человеческого фактора, так как многие исследовательские методики, выполняемые людьми при подсчете отдельных клеток, имеют высокую вероятность ошибки. Поскольку исследователи регулярно подсчитывают клетки вручную с использованием просветной микроскопии, эта подверженная ошибкам техника может существенно влиять на рассчитанную концентрацию в основной жидкой среде, особенно при низкой плотности клеток. Полностью автоматизированные системы также доступны у некоторых производителей биотехнологического оборудования. Они, как правило, дороги и менее гибкие, чем самостоятельное программное обеспечение, поскольку аппаратное и программное обеспечение разработаны для работы в определенной конфигурации. В качестве альтернативы, некоторые автоматические системы используют принцип спирального посева. Некоторые автоматизированные системы, например, системы на базе MATLAB, позволяют подсчитывать клетки без предварительного окрашивания. Это позволяет повторно использовать колонии для других экспериментов, не рискуя уничтожить микроорганизмы красителями. Однако, недостатком этих автоматизированных систем является то, что крайне сложно отличить микроорганизмы от пыли или царапин на кровяном агаре, поскольку и пыль, и царапины могут создавать разнообразные формы и внешний вид.

Альтернативные единицы

Вместо подсчёта колониеобразующих единиц могут использоваться параметры наиболее вероятного числа (MPN) и модифицированные единицы Фишмана (MFU). Метод определения наиболее вероятного числа учитывает жизнеспособные клетки и полезен при определении низких концентраций клеток или подсчёте микроорганизмов в продуктах, где наличие частиц затрудняет подсчёт на чашках Петри. Модифицированные единицы Фишмана учитывают бактерии, которые жизнеспособны, но не культивируются.