Schneller Chip-Test für antibiotikaresistente Bakterien in Sicht

Zur Zeit, um die Bakterien hinter einer Antibiotika-resistenten Infektion zu diagnostizieren, müssen Ärzte Proben ins Labor schicken und Tage warten, bis ein Ergebnis vorliegt. Jetzt haben Forscher einen Weg gefunden, die Tage des Wartens auf Stunden zu verkürzen, indem sie eine einfache chipbasierte Technologie verwenden, die in ein Tischgerät passt.
Die Bakterien werden in winzigen Vertiefungen gezüchtet, jede mit einem Filter, um sie einzufangen, und Elektroden, um ihren Stoffwechsel auszulesen.
Bildnachweis: Universität von Toronto

Das Team von der Universität von Toronto in Kanada beschreibt die neue Technologie und wie sie es getestet hat, in der Zeitschrift Labor auf einem Chip.

Antibiotikaresistenz ist ein wachsendes Problem der öffentlichen Gesundheit, das teilweise durch die ungenaue Verwendung von Antibiotika verstärkt wird.

Da es derzeit zwei oder drei Tage dauert, bis ein Labortest die Bakterien hinter einer Infektion identifiziert, beginnen die Ärzte mit einem Breitbandantibiotikum.

Manchmal funktioniert dieser "one size fits all" -Ansatz, aber manchmal nicht, und erst wenn das Laborergebnis eintrifft, können die Ärzte dann ein spezifischeres Medikament verschreiben, das die Bakterien eher tötet.

Ein schnellerer Test, der lokal durchgeführt werden kann, bedeutet, dass der Arzt sofort die richtige Droge geben und die Exposition von Bakterien gegenüber Antibiotika reduzieren kann.

Leitautor Justin Besant, Doktorand am Institut für Biomaterialien und Biomedizintechnik in Toronto, erklärt:

"Das Raten kann zu einer Resistenz gegen diese Breitbandantibiotika führen, und im Falle von schweren Infektionen zu viel schlechteren Ergebnissen für den Patienten."

Es muss nicht darauf gewartet werden, dass Bakterien in Kultur wachsen

Infektion mit einer resistenten Version eines Bakteriums kann einen routinemäßigen Krankenhausaufenthalt in einen Albtraum verwandeln. In den USA erkranken jedes Jahr 2 Millionen Menschen an Antibiotika-resistenten Infektionen und mehr als 23.000 sterben an ihnen.

Der Grund dafür, dass aktuelle Tests Tage dauern und nicht Stunden, liegt darin, dass Sie eine hohe Konzentration an Bakterien benötigen. So wird die Probe des Patienten in einer Kultur für ein paar Tage gezüchtet, bis die Population der Bakterien auf ein nachweisbares Niveau ansteigt.

Besant und seine Kollegen kombinierten ihr Fachwissen in Elektro- und Biomedizintechnik, um einen Chip zu entwickeln, der Bakterien aus der Patientenprobe in nur zwei Nanoliter Volumen verdichtet. In diesem winzigen Raum kann der Chip die effektive Konzentration der Bakterien erhöhen.

Der Chip besteht aus Glas mit mikrofluidischen Vertiefungen. Am Boden jeder Vertiefung befindet sich ein Filter aus Mikroperlen, der die Bakterien fängt, während die Probe durch den Chip fließt.

Die Bakterien sammeln sich in den winzigen Vertiefungen zusammen mit dem Testantibiotikum und einem Molekül namens Resazurin, das eine elektrochemische Signatur aussendet.

Bakterien metabolisieren Resazurin zu Resorufin. Wenn sie also am Leben bleiben, wechselt die elektrochemische Signatur vom Resazurin in das Resorufin. Wenn aber das Antibiotikum die Bakterien abtötet, bleibt die Signatur als Resazurin erhalten.

In den Chip eingebaute Elektroden erkennen die Änderung der elektrochemischen Signatur und können diese als Ergebnis auslesen.

Technologie könnte in ein "sehr kleines Tischgerät" passen

Besant sagt, dass ihr Gerät zwei Vorteile bietet:

"Erstens haben wir viele Bakterien auf sehr kleinem Raum, so dass unsere effektive Startkonzentration viel höher ist. Und zweitens, wenn sich die Bakterien vermehren und das Resazurinmolekül umwandeln, bleibt es effektiv in diesem Nanolitertröpfchen stecken - es kann nicht diffundieren weg in die Lösung, so dass es sich schneller auf nachweisbare Mengen ansammeln kann. "

Er und sein Team glauben, dass ihr Ansatz der erste ist, der die Möglichkeit bietet, die Probenkonzentration mit einer einfachen elektrochemischen Anzeige zu erhöhen. Das Ergebnis ist ein Werkzeug, das helfen wird, bakterielle Infektionen viel schneller zu diagnostizieren und zu behandeln.

Es gibt schnellere Möglichkeiten, antibiotikaresistente Bakterien mittels Fluoreszenzdetektion zu diagnostizieren, aber diese Methoden erfordern sperrige und teure Mikroskope, um die Ergebnisse zu betrachten. Besant erklärt den offensichtlichen Vorteil, den ein Gerät auf der Grundlage seines Ansatzes bietet:

"Die Elektronik für unsere elektrochemische Anzeige kann leicht in ein sehr kleines Tischgerät passen, und das sieht man zum Beispiel in einer Arztpraxis."

Er sieht den nächsten Schritt als die Schaffung eines Gerätes, das mehrere Antibiotika gleichzeitig in verschiedenen Konzentrationen testen kann.

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