Wir leben in Angst vor „Superbugs“: infektiöse Bakterien, die auf eine Behandlung mit Antibiotika nicht ansprechen und einen routinemäßigen Krankenhausaufenth alt in einen Albtraum verwandeln können. Ein Bericht von He alth Canada aus dem Jahr 2015 (http://he althycanadians.gc.ca/publications/drugs-products-medicaments-produits/antibiotic-resistance-antibiotique/antimicrobial-surveillance-antimicrobioresistance-eng.php) schätzt, dass Superbugs die Kanadier bereits 1 US-Dollar gekostet haben Milliarden und seien ein "ernsthaftes und wachsendes Problem". Jedes Jahr erkranken zwei Millionen Menschen in den USA an antibiotikaresistenten Infektionen, und mindestens 23.000 Menschen sterben an den direkten Folgen.
Aber Tests auf Antibiotikaresistenz können bis zu drei Tage dauern, bis sie aus dem Labor zurückkommen, was die Fähigkeit der Ärzte behindert, bakterielle Infektionen schnell zu behandeln. Jetzt Ph. D. Der Forscher Justin Besant und sein Team von der University of Toronto haben einen kleinen und einfachen Chip entwickelt, um in nur einer Stunde auf Antibiotikaresistenzen zu testen und Ärzten eine Chance zu geben, das wirksamste Antibiotikum für die Behandlung auszuwählen potenziell tödliche Infektionen. Ihre Arbeit wurde diese Woche in der internationalen Fachzeitschrift Lab on a Chip veröffentlicht.
Resistente Bakterien entstehen zum Teil durch ungenauen Einsatz von Antibiotika - wenn ein Patient eine Infektion bekommt, will der Arzt diese so schnell wie möglich behandeln. Proben der infektiösen Bakterien werden zum Testen ins Labor geschickt, aber die Ergebnisse können zwei bis drei Tage dauern. In der Zwischenzeit verschreibt die Ärztin ihrer Patientin ein Breitbandantibiotikum. Manchmal wirkt das Universal-Antibiotikum und manchmal nicht, und wenn die Tests Tage später wiederkommen, kann der Arzt ein bestimmtes Antibiotikum verschreiben, das die Bakterien mit größerer Wahrscheinlichkeit abtötet.
"Raten kann zu Resistenzen gegen diese Breitbandantibiotika und bei schweren Infektionen zu weitaus schlechteren Ergebnissen für den Patienten führen", sagt Besant. „Wir wollten feststellen, ob Bakterien für ein bestimmtes Antibiotikum anfällig sind, und zwar innerhalb von Stunden, nicht Tagen.“
Das Problem bei den meisten aktuellen Tests ist die Zeit, die Bakterien benötigen, um sich auf nachweisbare Werte zu reproduzieren. Besant und seinem Team, darunter sein Vorgesetzter Professor Shana Kelley vom Institute for Biomaterials & Biomedical Engineering und den Fakultäten für Pharmazie und Medizin, und Professor Ted Sargentdes Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical & Computer Engineering nutzten ihr kollektives Fachwissen in Elektro- und Biomedizintechnik, um einen Chip zu entwickeln, der Bakterien auf kleinstem Raum – nur zwei Nanoliter Volumen – konzentriert, um die Wirksamkeit zu erhöhen Konzentration der Ausgangsprobe.
Sie erreichen diese hohe Konzentration, indem sie die Probe, die die zu testenden Bakterien enthält, durch mikrofluidische Vertiefungen „fließen“lassen, die auf einem Glaschip angeordnet sind. Am Boden jeder Vertiefung fängt ein Filter, der aus einem Gitter aus winzigen Mikrokügelchen besteht, Bakterien auf, wenn die Probe hindurchfließt. Die Bakterien sammeln sich in der nanogroßen Vertiefung an, wo sie mit dem Antibiotikum und einem Signalmolekül namens Resazurin eingefangen werden.
Lebende Bakterien wandeln Resazurin in eine Form namens Resorufin um und verändern seine elektrochemische Signatur. Wenn die Bakterien durch das Antibiotikum effektiv abgetötet werden, hören sie auf, Resazurin zu metabolisieren, und die elektrochemische Signatur in der Probe bleibt gleich. Wenn sie antibiotikaresistent sind, setzen sie die Verstoffwechselung von Resazurin zu Resorufin fort und verändern seine elektrochemische Signatur. Direkt in den Chip eingebaute Elektroden erkennen die Stromänderung, wenn Resazurin zu Resorcin wird.
"Das bringt uns zwei Vorteile", sagt Besant.„Erstens haben wir viele Bakterien auf sehr kleinem Raum, daher ist unsere effektive Ausgangskonzentration viel höher. Und zweitens, wenn sich die Bakterien vermehren und das Resazurinmolekül umwandeln, bleibt es effektiv in diesem Nanoliter-Tröpfchen stecken – es kann nicht diffundieren weg in die Lösung, so dass es sich schneller auf nachweisbare Werte anreichern kann." "Unser Ansatz ist der erste, der diese Methode zur Erhöhung der Probenkonzentration mit einer einfachen elektrochemischen Anzeige kombiniert", sagt Professor Sargent. "Wir sehen darin ein wirksames Instrument zur schnelleren Diagnose und Behandlung von gewöhnlichen bakteriellen Infektionen."
Schnelle Alternativen zu bestehenden Antibiotikaresistenztests beruhen auf der Fluoreszenzdetektion, die teure und sperrige Fluoreszenzmikroskope erfordert, um das Ergebnis zu sehen. „Die Elektronik für unsere elektrochemische Anzeige passt problemlos in ein sehr kleines Tischgerät, und so etwas könnte man sich zum Beispiel in einer Arztpraxis ansehen“, sagt Besant."Der nächste Schritt wäre die Entwicklung eines Geräts, mit dem Sie viele verschiedene Antibiotika in vielen verschiedenen Konzentrationen testen können, aber so weit sind wir noch nicht."
