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Chip identifiziert bakterielle Infektion in Minuten, nicht Tage

Bakterielle Infektionen töten jedes Jahr Zehntausende Nordamerikaner. Die Tatsache, dass es Tage dauern kann, bis man herausgefunden hat, welche Bakterien hinter den Infektionen stecken und noch länger, um genau festzustellen, welche Medikamente wirken, könnte eine Möglichkeit bieten, diese Todesfälle zu reduzieren. Jetzt, nach einer neuen Studie, verspricht ein Chip, der Bakterien in wenigen Minuten identifizieren kann, diese Zeitrahmen zu verkürzen. Der Chip identifiziert nicht nur den spezifischen Erreger, er kann auch sagen, gegen welche Medikamente er resistent ist, sagen Forscher der Universität von Toronto (U of T) in Kanada.
Co-senior Autorin Shana Kelley, von der Abteilung für Pharmazie und Biochemie bei U of T, und Kollegen, schreiben in einer Online-Ausgabe von 12. Juni über ihre Arbeit Naturkommunikationen.
Kelley sagt in einer Aussage, dass arzneimittelresistente Bakterien die ganze Zeit auftauchen, weil Antibiotika entweder über gebraucht oder nicht angemessen verwendet werden.
Dies ist jedoch nicht unbedingt auf vorsätzlichen Missbrauch oder schlampiges Üben zurückzuführen: Ein wichtiger Faktor kann die Länge der Zeit sein, die es braucht, um herauszufinden, was genau hinter der Infektion steckt und genauso wichtig ist, mit welchen Medikamenten es behandelt wird.
Es kann ein Wettlauf gegen die Zeit sein, und wenn die Zeit abgelaufen ist, müssen Ärzte potenziell lebensrettende Entscheidungen auf der Grundlage unvollständiger Informationen treffen.
Was fehlt, ist eine "Technologie, die Ärzten schnell detaillierte Informationen über die spezifische Ursache der Infektion bietet", sagt Kelley.
Es existieren bereits elektronische Geräte, die auf der Grundlage hochsensitiver und spezifischer diagnostischer Tests, die kleine Biomarker-Panels verwenden, einfach ausgelesen werden können.
Was aber benötigt wird, ist ein Gerät, das "Proben für viele Dutzend Biomarker abfragen kann", schreiben die Autoren in ihre Hintergrundinformationen.
Eine der Barrieren bei der Entwicklung eines solchen Geräts besteht darin, eine kostengünstige Plattform zu entwickeln, die große Arrays von Sensoren auf Elektrodenbasis aufnehmen kann.
Mit dieser Herausforderung haben Kelley und Kollegen begonnen, ein solches Gerät zu entwickeln und zu testen.
Sie wussten bereits, dass man elektronische Chips verwenden sollte, wie sie für kleine Biomarker verwendet werden, aber irgendwie mussten sie das Design ändern, damit die Chips mit dem zurechtkamen, was sie als "hochgradig gemultiplexte elektrochemische Wahrnehmung" bezeichnen Screen für viele Biomarker gleichzeitig.
Und sie haben einen Weg gefunden, genau das zu tun, indem sie "lösungsbasierte Schaltkreise auf dem Chip" verwenden.
Sie entwarfen und testeten einen solchen Chip, der Bakterien bei Konzentrationen nachweisen konnte, die bei Patienten mit einer Harnwegsinfektion gefunden wurden.
"Der Chip berichtete genau über die Art der Bakterien in einer Probe und darüber, ob der Erreger eine Arzneimittelresistenz besaß", sagt Erstautor Brian Lam, Doktorand der Chemie bei U of T.
Das lösungsbasierte Schaltungskonzept erlaubte es dem Chip, die Flüssigkeiten zu verwenden, in denen die Patientenproben als "Schalter" eingetaucht sind, so dass das Team einzeln nach jedem Biomarker suchen konnte, sagt Co-Senior Autor Ted Sargent aus der Abteilung Elektrotechnik und Computertechnik bei U von T.
"Die lösungsbasierten Schaltungen schalten die informationstragenden Signalauslesekanäle um und eliminieren sämtliches messbares Übersprechen von benachbarten, biomolekülspezifischen Mikrosensoren", bemerken die Autoren.
"Wir zeigen auch, dass Signaturmoleküle 2 Minuten nach der Probeneinführung genau abgelesen werden können", fügen sie hinzu.
Ihor Boszko, Direktor eines in Toronto ansässigen Unternehmens, das In-vitro-Diagnostika entwickelt, sagt, dass das neue Konzept des Teams erhebliche praktische Auswirkungen haben könnte.
Es ermöglicht ein schnelles Screening auf mehrere Viren oder Bakterien, die ähnliche Symptome hervorrufen, und:
"Es ermöglicht auch die einfache und kosteneffektive Herstellung hochgradig gemultiplexter elektrochemischer Detektoren, was sicherlich einen signifikanten Einfluss auf die Verfügbarkeit von effektiven Diagnosewerkzeugen haben wird", sagt Boszko.
Die Studie ist ein gutes Beispiel für die Art von Innovationen, die auftreten können, wenn Experten aus verschiedenen Bereichen zusammenarbeiten: in diesem Fall Computeringenieure, Biologen, Chemiker, Apotheker und mehr.
In einem weiteren bemerkenswerten Beispiel für interdisziplinäre Teamarbeit veröffentlichte eine Studie, veröffentlicht Anfang 2013 in der British Journal des Krebses beschreibt, wie Krebsforscher und Astronomen ihre Köpfe zusammenfügen und computerisierte Sternenbeobachtungstechniken anwenden, die entwickelt wurden, um weit entfernte Galaxien ausfindig zu machen, um Biomarker in Tumoren zu identifizieren, um festzustellen, wie aggressiv sie sind.
Geschrieben von Catharine Paddock

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