Szybki test NIST może usprawnić terapię antybiotykową

Szybki test NIST może przyspieszyć terapię antybiotykową

Naukowcy z Krajowego Instytutu Norm i Technologii (NIST) opracowali nową taktykę szybkiego określenia, czy antybiotyk zwalcza daną infekcję, przyspieszając leczenie i ograniczając rozwój bakterii odpornych na działanie leków. Ich metoda może szybko wykryć ruchy komórek bakteryjnych i wszelkie zmiany wywołane antybiotykami.

Opracowany przez badaczy czujnik zapewnia wyniki w czasie krótszym niż godzina, znacznie szybciej niż tradycyjne testy przeciwdrobnoustrojowe, które zazwyczaj wymagają kilku dni, aby wyhodować komórki bakteryjne. Opóźnione wyniki konwencjonalnych badań pozwalają bakteriom na rozwój i wytworzenie oporności.

Niewłaściwe dobrane antybiotyki i antybiotykooporność są poważnym zagrożeniem dla życia publicznego. W samych Stanach Zjednoczonych co najmniej 2 miliony osób chorowało na takie infekcje, a 23 tys. zmarło z ich powodu.

Jednym z rozwiązań tego problemu może być właśnie to nowe podejście, oparte na rezonatorze kwarcowym, którego drgania różnią się w mierzalne sposoby, gdy zmieniają się cząstki na powierzchni. Superwrażliwe kryształy kwarcowe były poprzednio używane przez badaczy NIST do mierzenia czystości nanorurek węglowych.
Nowa technika NIST wykrywa ruch mechaniczny drobnoustrojów i ich reakcję na antybiotyki. Twierdzono wcześniej, że niektóre ruchy bakteryjne słabną w obecności niektórych antybiotyków, ale do tej pory takie zmiany zostały wykryte jedynie przy użyciu czujników mikroskopowych i w przypadku bakterii motylkowych. Metoda NIST może być bardziej użyteczna w badaniach klinicznych, ponieważ gromadzi dane elektroniczne niewielkim kosztem, a ponieważ wykrywa duże kolonie bakteryjne, może być makroskopowa.

Czujnik jest piezoelektryczny, co oznacza, że jego wymiary zmieniają się, gdy są narażone na pole elektryczne. Cienki piezoelektryczny dysk kwarcowy jest umieszczony pomiędzy dwoma elektrodami. Napięcie przemienne o stabilnej częstotliwości zbliżonej do częstotliwości rezonansowej kryształu jest przykładane do jednej elektrody w celu wzbudzenia wibracji kryształów. Z innej elektrody po przeciwnej stronie naukowcy rejestrują napięcie oscylacyjne odpowiedzi kryształu, sygnał, który pokazuje wahania częstotliwości rezonansowej (lub hałasu częstotliwości) wynikające z aktywności mechanicznej bakterii związanej z powierzchnią kryształu. Do badań wykorzystano dwa rezonatory kwarcowo-kryształowe pokryte kilkoma milionami komórek bakteryjnych. Jednego z nich użyto do badania wpływu antybiotyku na komórki, a drugi rezonator był używany jako próba kontrolna.

Bardzo czułe podejście umożliwiło wykryciie fluktuacji częstotliwościowych generowanych przez komórkę na poziomie niższym niż 10 mld części. Doświadczenia wykazały, że wielkość hałasu częstotliwości była skorelowana z gęstością żywych komórek bakteryjnych. Kiedy bakterie były następnie narażone na antybiotyki, hałas częstotliwości gwałtownie się zmniejszał.

Naukowcy z NIST badali odpowiedź bakterii Escherichia coli (E. coli) na dwa antybiotyki, polimyksynę B (PMB) i ampicylinę. W ciągu 7 minut po wprowadzeniu PMB szumy generowane przez komórki spadły blisko zera. Częstotliwość hałasu zaczęła się zmniejszać w ciągu 15 minut po dodaniu ampicyliny, a następnie spadała jeszcze szybciej, gdy komórki umierały. Te skale czasu odzwierciedlają normalne prędkości, przy których działają antybiotyki.

Po pomiarze czujników efektywność antybiotyków potwierdzona została przez hodowle kolonii z pozostałych bakterii. Oba antybiotyki znacznie zmniejszyły liczbę żywych komórek.
Aby określić, jak szeroka może być użyteczność nowej techniki, konieczne będą dalsze badania przy użyciu wielu gatunków bakterii i antybiotyków, które działają w różny sposób.

(KB)