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Super-Schnelltest für Bakterien dank Nano-Tuning Forks

Einige bakterielle Infektionen sind so schwer, dass, wenn das richtige Antibiotikum nicht sofort gegeben wird, eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass der Patient stirbt. Aber leider kann es mit den gegenwärtigen Methoden Tage dauern, wenn nicht Wochen, um die Antwort eines Bakteriums auf Behandlung zu prüfen. Jetzt haben Forschende in der Schweiz einen Test entwickelt, der auf "Stimmgabeln" in Nanogröße basiert und diese Zeitspanne auf Minuten verkürzen und damit Leben retten kann.

Um herauszufinden, ob ein Bakterium auf eine antibiotische Behandlung anspricht, müssen Ärzte abwarten, was passiert, wenn sie versuchen, es in einer Kultur zu züchten. Für einige Arten von Bakterien, wie Tuberkulose (TB), kann dies bis zu einem Monat dauern.

Die Nano-Stimmgabeln, die die Forscher in dieser neuen Studie entwickelt haben, sind winzige und extrem empfindliche Cantilever, dünner als menschliche Haare kann fast unmerkliche atomare Vibrationen von lebenden Bakterien aufnehmen.

Forscher der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) berichten in einer online veröffentlichten Studie über die Entwicklung und Demonstration der Technologie Natur Nanotechnologie am 30. Juni.

"Hier zeigen wir, dass die Fluktuationen hochempfindlicher Rasterkraftmikroskop-Cantilever genutzt werden können, um niedrige Konzentrationen von Bakterien zu detektieren, ihren Stoffwechsel zu charakterisieren und ihre Reaktion auf Antibiotika quantitativ (innerhalb von Minuten) zu überprüfen", schreiben sie.

Stimmgabeln nehmen bakterielle Vibrationen auf

Lebende Bakterien sind mit metabolischer Aktivität beschäftigt, dem Satz lebenserhaltender chemischer Reaktionen, die in lebenden Zellen ablaufen. Die Forscher schlagen vor, dass diese metabolische Aktivität die winzigen Vibrationen aussendet, die ihre Technologie erkennt.

Wenn die Bakterien auf oder in der Nähe der nanoskaligen Stimmgabeln oder Ausleger platziert werden, oszillieren sie als Reaktion auf die bakteriellen Vibrationen. Die Schwingungen sind sehr klein, in der Größenordnung von einem Millionstel Millimeter.


Das Messgerät © EPFL / Alain Herzog

Durch die Projektion eines Laserstrahls auf den Cantilever und die Rückreflexion des Lichts wandeln die Forscher die Schwingungen in elektrische Signale um, die leicht abgelesen werden können.

Schnelle und genaue Möglichkeit, herauszufinden, ob Antibiotikum funktioniert

Wenn das elektrische Signal eine flache Linie ist, bedeutet dies, dass keine lebenden Bakterien vorhanden sind. Ein effektiver Weg, um schnell herauszufinden, ob die Behandlung mit einem Antibiotikum die gewünschte Wirkung hat. Dies ist besonders nützlich zum Testen resistenter Stämme.

Studienautor Giovanni Dietler, ein Physiker, der Eigenschaften von lebenden Materialien untersucht, sagt in einer Aussage:

"Diese Methode ist schnell und genau. Und sie kann ein wertvolles Werkzeug sowohl für Ärzte sein, die nach der richtigen Dosierung von Antibiotika suchen, als auch für Forscher, um festzustellen, welche Behandlungen am effektivsten sind."

"Wir haben diese Methode angewendet auf Escherichia coli und Staphylococcus aureuszeigen, dass lebende Bakterien größere Freischwingerschwankungen hervorriefen als Bakterien, die Antibiotika ausgesetzt wurden ", schreiben die Autoren.

Technologie passt in eine Streichholzschachtel

Die Forscher haben ihre Technologie so miniaturisiert, dass sie in ein Gerät von der Größe einer Streichholzschachtel passt, so dass es für den klinischen Einsatz leicht tragbar ist.

Dietler sagt, sie könnten es noch kleiner machen:

"Indem wir unser Werkzeug mit einem piezoelektrischen Gerät anstelle eines Lasers verbinden, könnten wir seine Größe auf die Größe eines Mikrochips reduzieren", erklärt er.

Und er sieht auch, dass es möglich ist, eine Version zu entwickeln, die eine Reihe von Antibiotika an einem Stamm in nur wenigen Minuten testen kann.

Nano-Sizing-Stimmgabeln können in der Krebsbehandlung verwenden

Die Forscher schlagen vor, dass ihre nano-großen Stimmgabeln auch nützlich sein könnten, um das Ansprechen auf eine Chemotherapie zu testen.

Sie suchen derzeit nach einer Möglichkeit, ihre nanoskaligen Stimmgabeln zu verwenden, um den Metabolismus von Tumorzellen zu messen, die einer Chemotherapie ausgesetzt waren.

Wie bei bakteriellen Infektionen wäre der große Vorteil, innerhalb von Minuten statt Wochen zu sehen, ob der Krebs auf die Behandlung anspricht.

Ein anderer Weg, auf dem Wissenschaftler die Nanotechnologie in der Medizin einsetzen, ist die zielgerichtete Therapie auf zellulärer Ebene. Zum Beispiel hat eine Gruppe am MIT in den USA einen Ansatz entwickelt, mit dem "Nanofabriken" geschaffen werden könnten, die proteinbasierte Medikamente an Tumorstandorten zur Krebsbekämpfung herstellen.

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