Но тесты на устойчивость к антибиотикам могут занять до трех дней, чтобы вернуться из лаборатории, что ограничивает способность врачей быстро лечить бактериальные инфекции. Сейчас Ph.D. Исследователь Джастин Безант и его команда из Университета Торонто разработали небольшой и простой чип для проверки устойчивости к антибиотикам всего за один час, что дает врачам шанс выбрать наиболее эффективный антибиотик для лечения потенциально смертельных инфекций. Их работа была опубликована на этой неделе в международном журнале Lab on a Chip.
Устойчивые бактерии возникают отчасти из-за неточного использования антибиотиков — когда у пациента возникает инфекция, врач хочет вылечить ее как можно быстрее. Образцы инфекционных бактерий отправляются в лабораторию для тестирования, но получение результатов может занять два-три дня. Тем временем врач прописывает своей пациентке антибиотик широкого спектра действия. Иногда универсальный антибиотик работает, а иногда нет, и когда тесты возвращаются через несколько дней, врач может назначить конкретный антибиотик, который с большей вероятностью убьет бактерии.
«Гадание может привести к устойчивости к этим антибиотикам широкого спектра действия, а в случае серьезных инфекций — к гораздо худшим результатам для пациента», — говорит Безант. "Мы хотели определить, восприимчивы ли бактерии к определенному антибиотику, в течение нескольких часов, а не дней."
Проблема большинства современных тестов — это время, необходимое бактериям для размножения до обнаруживаемого уровня. Безант и его команда, в том числе его научный руководитель профессор Шана Келли из Института биоматериалов и биомедицинской инженерии и факультетов фармации и медицины, и профессор Тед Сарджент из The Edward S. Роджерс-старший.
Департамент электротехники и вычислительной техники, опираясь на свой коллективный опыт в области электротехнической и биомедицинской инженерии, разработал чип, который концентрирует бактерии в крошечном пространстве — всего два нанолитра в объеме — с целью увеличения эффективной концентрации исходного образца.
Они достигают такой высокой концентрации, «пропуская» образец, содержащий тестируемые бактерии, через микрожидкостные лунки, нанесенные на стеклянный чип. На дне каждой лунки фильтр, состоящий из решетки крошечных микрошариков, улавливает бактерии по мере прохождения пробы.
Бактерии накапливаются в лунке наноразмеров, где они захватываются антибиотиком и сигнальной молекулой, называемой резазурином.
Живые бактерии метаболизируют резазурин в форму, называемую резоруфином, изменяя его электрохимическую подпись. Если бактерии эффективно уничтожаются антибиотиком, они перестают метаболизировать резазурин, и электрохимическая сигнатура в образце остается прежней.
Если они устойчивы к антибиотикам, они продолжают метаболизировать резазурин в резоруфин, изменяя его электрохимическую подпись. Электроды, встроенные непосредственно в чип, обнаруживают изменение тока, когда резазурин превращается в резорцин.
«Это дает нам два преимущества», — говорит Безант. «Во-первых, у нас много бактерий на очень маленьком пространстве, поэтому наша эффективная начальная концентрация намного выше. И во-вторых, по мере того, как бактерии размножаются и превращают молекулу резазурина, она эффективно застревает в этой нанолитровой капле — она не может диффундировать в раствор, поэтому может быстрее накапливаться до обнаруживаемых уровней.«Наш подход является первым, в котором этот метод увеличения концентрации образца сочетается с прямым электрохимическим считыванием», — говорит профессор Сарджент. "Мы видим в этом эффективный инструмент для более быстрой диагностики и лечения обычных бактериальных инфекций."
Быстрые альтернативы существующим тестам на устойчивость к антибиотикам основаны на обнаружении флуоресценции, требуя дорогих и громоздких флуоресцентных микроскопов, чтобы увидеть результат. «Электроника для нашего электрохимического считывания может легко поместиться в очень маленьком настольном приборе, и это то, что вы можете увидеть, например, в кабинете врача», — говорит Безант. «Следующим шагом будет создание устройства, которое позволит вам тестировать множество различных антибиотиков в разных концентрациях, но мы еще не достигли этого."