Bærbar nanodeenhed giver hurtig, nøjagtig diagnose af tuberkulose andre bakterielle infektioner

En håndholdt diagnostisk enhed, som Massachusetts General Hospital (MGH) -forskerne først udviklede til at diagnosticere kræft, er blevet tilpasset til hurtigt at diagnosticere tuberkulose (TB) og andre vigtige infektiøse bakterier. To papirer optræder i tidsskrifterne Naturkommunikation og Naturnanoteknologi beskrive bærbare enheder, der kombinerer mikrofluid teknologi med nuklear magnetisk resonans (NMR) for ikke kun at diagnosticere disse vigtige infektioner, men også bestemme tilstedeværelsen af ​​antibiotikaresistente bakteriestammer.

"Hurtig identifikation af patogenet, der er ansvarlig for en infektion og test for tilstedeværelse af resistens, er ikke kun afgørende for diagnosen, men også for at beslutte, hvilke antibiotika der skal gives en patient, "siger Ralph Weissleder, MD, Ph.d., direktør for MGH Center for System Biology (CSB) og co-senior forfatter til begge artikler. "Disse beskrevne metoder giver os mulighed for at gøre dette på to til tre timer, en stor forbedring i forhold til standard dyrkningspraksis, som kan tage op til to uger at stille en diagnose. "

Efterforskere ved MGH CSB har tidligere udviklet bærbare enheder, der er i stand til at detektere kræftbiomarkører i blodet eller i meget små vævsprøver. Målceller eller molekyler mærkes først med magnetiske nanopartikler, og prøven føres derefter gennem et mikro -NMR -system, der er i stand til at detektere og kvantificere niveauer af målet. Men de første bestræbelser på at tilpasse systemet til bakteriediagnose havde problemer med at finde antistoffer - detektionsmetoden anvendt i de tidligere undersøgelser - der nøjagtigt ville opdage de specifikke bakterier. I stedet skiftede teamet til at målrette mod specifikke nukleinsyresekvenser.

Systemet beskrevet i Naturkommunikation papir, offentliggjort den 23. april, detekterer DNA fra tuberkulosebakterierne i små spytprøver. Efter at DNA er ekstraheret fra prøven, enhver af målsekvenserne, der er til stede, forstærkes ved hjælp af en standardprocedure, derefter fanget af polymerperler indeholdende komplementære nukleinsyresekvenser og mærket med magnetiske nanopartikler med sekvenser, der binder til andre dele af mål -DNA'et. Miniatur -NMR -spolen, der er inkorporeret i enheden - som er på størrelse med et standard laboratoriumglas - detekterer alt TB -bakterielt DNA, der er til stede i prøven.

Test af enheden på prøver fra patienter, der vides at have TB og fra sunde kontroller, identificerede alle positive prøver uden falske positive på mindre end tre timer. Eksisterende diagnostiske procedurer kan tage uger at give resultater og kan savne op til 40 procent af de inficerede patienter. Resultaterne var endnu stærkere for patienter inficeret med både TB og HIV-sandsynligvis fordi infektion med begge patogener fører til høje niveauer af TB-bakterierne-og specialiserede nukleinsyreprober udviklet af forskergruppen var i stand til at skelne behandlingsresistente bakteriestammer.

Det Naturnanoteknologi papir, udstedes online i dag, beskriver et lignende system ved hjælp af ribosomalt RNA (rRNA) - allerede i brug som en bakteriel biomarkør - som et mål for nanopartikelmærkning. Efterforskerne udviklede både en universel nukleinsyresonde, der detekterer en rRNA -region, der er fælles for mange bakteriearter, og et sæt sonder, der målretter sekvenser, der er specifikke for 13 klinisk vigtige patogener, inklusive Streptococcus pneumoniae , Escherichia coli og methicillinresistent Staphylococcus aureus (MRSA).

Enheden var følsom nok til at detektere så få som en eller to bakterier i en 10 ml blodprøve og til nøjagtigt at estimere bakteriel belastning. Test af systemet på blodprøver fra patienter med kendte infektioner identificerede præcist den bestemte bakterieart på mindre end to timer og opdagede også to arter, der ikke var blevet identificeret med standardkulturteknikker.

Mens begge systemer kræver yderligere udvikling for at inkorporere alle trin i forseglede, enkeltstående enheder, reducere risikoen for kontaminering, Weissleder bemærker, at den lille størrelse og brugervenlighed af disse enheder gør dem ideelle til brug i udviklingslande. "De magnetiske interaktioner, som patogen -detektion er baseret på, er meget pålidelige, uanset prøvens kvalitet, hvilket betyder, at omfattende rensning-som ville være vanskelig i ressourcebegrænsede omgivelser-ikke er nødvendig. Evnen til at diagnosticere TB i løbet af få timer kan muliggøre test- og behandlingsbeslutninger inden for det samme klinikbesøg, som kan være afgørende for at kontrollere spredningen af ​​TB i udviklingslande. "

Hakho Lee, Ph.d., fra MGH Center for Systembiologi. co-senior forfatter til begge papirer, bemærker, at systemet også vil have vigtige applikationer i udviklede lande. "Systemets kapacitet ikke kun til at identificere bakteriearter, men også til at differentiere faktorer som antibiotikaresistens vil hjælpe klinikere med at behandle patienter med de 'rigtige' lægemidler fra starten, hvilket også hjælper med at reducere fremkomsten af ​​behandlingsresistente stammer. Det faktum, at denne enhed kun kræver en lille dråbe af prøven, der skal testes, vil være nyttig i tilfælde, hvor prøver kan være svære at få fat på, såsom behandling af børn eller seniorer. "