NISTs hurtige test kan fremskynde antibiotikabehandling og bekæmpe resistens mod lægemidler

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstreret en potentiel ny taktik til hurtigt at afgøre, om et antibiotikum bekæmper en given infektion, dermed fremskyndes effektiv medicinsk behandling og begrænser udviklingen af ​​lægemiddelresistente bakterier. Deres metode kan hurtigt fornemme mekaniske udsving i bakterieceller og eventuelle ændringer forårsaget af et antibiotikum.

Beskrevet i Videnskabelige rapporter , NIST's prototypesensor giver resultater på mindre end en time, meget hurtigere end konventionelle antimikrobielle test, som typisk kræver dage for at dyrke kolonier af bakterieceller. Forsinkede resultater fra konventionelle tests gør det muligt at udvikle farlige infektioner, før effektive behandlinger kan findes, og giver et tidsvindue for bakterier til at udvikle lægemiddelresistens.

Forkert antibiotika og antibiotikaresistente bakterier udgør alvorlige trusler mod folkesundheden. Mindst 2 millioner sygdomme og 23, 000 dødsfald tilskrives hvert år antibiotikaresistente bakterieinfektioner i USA, ifølge en rapport fra 2013 fra Centers for Disease Control and Prevention.

En løsning kan være den nye NIST -sansemetode, baseret på en kvarts-krystalresonator, hvis vibrationer varierer på målbare måder, når partikler på overfladen ændres. Tilgangen, som involverer bakterieceller klæbet til en resonator, repræsenterer en ny måde at bruge disse superfølsomme krystaller på, som NIST -forskere tidligere demonstrerede til applikationer såsom måling af carbon nanorørets renhed.

Den nye NIST -teknik registrerer mikrobernes mekaniske bevægelse og deres reaktion på antibiotika. Andre forskere fandt tidligere ud af, at nogle bakterielle bevægelser bliver svagere i nærvær af nogle antibiotika, men indtil nu er sådanne ændringer kun blevet opdaget med mikroskalsensorer og generelt i bevægelige bakterier (fremdrives af trådlignende vedhæng kaldet flagella). NIST-metoden kan være mere nyttig i kliniske indstillinger, fordi den indsamler elektroniske data omkostningseffektivt og, da den fornemmer store bakteriekolonier, kan være makroskopisk og robust.

Sensoren er piezoelektrisk, hvilket betyder, at dens dimensioner ændres, når de udsættes for et elektrisk felt. En tynd piezoelektrisk kvartsskive er klemt mellem to elektroder. En vekselstrøm ved en stabil frekvens nær krystalets resonansfrekvens påføres en elektrode for at excitere krystalvibrationer. Fra en anden elektrode på den modsatte side af krystallen, forskere registrerer oscillerende spændinger af krystalresponset, et signal, der viser udsving i resonansfrekvensen (eller frekvensstøj) som følge af mikrobiel mekanisk aktivitet koblet til krystaloverfladen.

Bevis for konceptforsøg ved NIST brugte to kvarts-krystalresonatorer belagt med flere millioner bakterieceller. En resonator blev brugt til at teste virkningen af ​​et antibiotikum på cellerne, mens den anden resonator blev brugt som en kontrol uden antibiotikum.

Den ultrafølsomme tilgang muliggjorde påvisning af cellegenererede frekvensudsving i et niveau på mindre end en del i 10 mia. Forsøgene viste, at mængden af ​​frekvensstøj var korreleret med tætheden af ​​levende bakterieceller. Da bakterierne derefter blev udsat for antibiotika, frekvensstøj faldt kraftigt. Bakterier med lammede flageller blev brugt i eksperimenterne til at eliminere virkninger af svømmebevægelse. Dette gjorde det muligt for forskerne at konkludere, at de detekterede cellegenererede frekvensudsving skyldes vibrationer i cellevægge.

NIST -forskere fornemmede svaret fra Escherichia coli ( E coli ) til to antibiotika polymyxin B (PMB) og ampicillin. Cellegenereret frekvensstøj faldt tæt på nul inden for 7 minutter efter introduktionen af ​​PMB. Frekvensstøj begyndte at falde inden for 15 minutter efter tilsætning af ampicillin og faldt derefter hurtigere, da celler brød fra hinanden og døde. Disse tidsskalaer afspejler de normale hastigheder, hvormed disse antibiotika virker.

Efter sensormålingerne, effektiviteten af ​​antibiotika blev bekræftet af vækst af kolonier fra de resterende bakterier. Begge antibiotika reducerede i høj grad antallet af levende celler.

For at bestemme, hvor generelt nyttig teknikken kan være, yderligere undersøgelser vil være nødvendige ved hjælp af en række bakteriearter og antibiotika, der virker på forskellige måder. NIST -forskere har fået patent på teknikken:RESONATOR OG PROCESS FOR UDFØRELSE AF BIOLOGISK ASSAY, U.S. patent nr. 9, 725, 752, udstedt 8. august, 2017.