Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat en potentiell ny taktik för att snabbt avgöra om ett antibiotikum bekämpar en given infektion, därmed påskyndas effektiv medicinsk behandling och begränsar utvecklingen av läkemedelsresistenta bakterier. Deras metod kan snabbt känna av mekaniska fluktuationer i bakterieceller och eventuella förändringar som induceras av ett antibiotikum.

Beskrivs i Vetenskapliga rapporter , NIST:s prototypsensor ger resultat på mindre än en timme, mycket snabbare än konventionella antimikrobiella tester, som vanligtvis kräver dagar för att växa kolonier av bakterieceller. Fördröjda resultat från konventionella tester tillåter farliga infektioner att utvecklas innan effektiva behandlingar kan hittas och ger ett tidsfönster för bakterier att utveckla läkemedelsresistens.

Felaktigt förskrivna antibiotika och antibiotikaresistenta bakterier utgör allvarliga hot mot folkhälsan. Minst 2 miljoner sjukdomar och 23, 000 dödsfall tillskrivs antibiotikaresistenta bakterieinfektioner i USA varje år, enligt en rapport från 2013 från Centers for Disease Control and Prevention.

En lösning kan vara den nya metoden för NIST -avkänning, baserad på en kvartskristallresonator vars vibrationer varierar på mätbara sätt när partiklar på ytan förändras. Tillvägagångssättet, som involverar bakterieceller vidhäftade till en resonator, representerar ett nytt sätt att använda dessa supersensitiva kristaller, som NIST-forskare tidigare demonstrerat för tillämpningar som att mäta renhet i kolnanorör.

Den nya NIST-tekniken känner av mikrobers mekaniska rörelse och deras svar på antibiotika. Andra forskare har tidigare funnit att vissa bakteriella rörelser blir svagare i närvaro av vissa antibiotika, men fram till nu har sådana förändringar endast upptäckts med mikroskalsensorer och generellt i rörliga bakterier (drivs av trådliknande bilagor som kallas flagella). NIST-metoden kan vara mer användbar i kliniska miljöer eftersom den samlar in elektronisk data kostnadseffektivt och, eftersom den känner av stora bakteriekolonier, kan vara makroskopisk och robust.

Sensorn är piezoelektrisk, vilket innebär att dess dimensioner ändras när de utsätts för ett elektriskt fält. En tunn piezoelektrisk kvartsskiva är inklämd mellan två elektroder. En växelspänning vid en stabil frekvens nära kristallens resonansfrekvens appliceras på en elektrod för att excitera kristallvibrationer. Från en annan elektrod på motsatt sida av kristallen, forskare registrerar oscillerande spänningar av kristallresponsen, en signal som visar fluktuationer i resonansfrekvensen (eller frekvensbruset) som härrör från mikrobiell mekanisk aktivitet kopplad till kristallytan.

Proof of concept-tester vid NIST använde två kvartskristallresonatorer belagda med flera miljoner bakterieceller. En resonator användes för att testa effekten av ett antibiotikum på cellerna, medan den andra resonatorn användes som en kontroll utan antibiotikum.

Det ultrakänsliga tillvägagångssättet möjliggjorde upptäckt av cellgenererade frekvensfluktuationer vid en nivå på mindre än en del av 10 miljarder. Experimenten visade att mängden frekvensbrus var korrelerad med tätheten av levande bakterieceller. När bakterierna sedan utsattes för antibiotika, frekvensbruset minskade kraftigt. Bakterier med förlamade flageller användes i experimenten för att eliminera effekterna av simrörelser. Detta gjorde det möjligt för forskarna att dra slutsatsen att de detekterade cellgenererade frekvensfluktuationerna uppstår från vibrationer i cellväggar.

NIST -forskare kände svaret av Escherichia coli ( E coli ) till två antibiotika, polymyxin B (PMB) och ampicillin. Cellgenererat frekvensbrus sjönk nära noll inom 7 minuter efter införandet av PMB. Frekvensbruset började minska inom 15 minuter efter tillsats av ampicillin och sjönk sedan snabbare när celler bröts isär och dog. Dessa tidsskalor återspeglar de normala hastigheter vid vilka dessa antibiotika fungerar.

Efter sensormätningarna, effektiviteten av antibiotika bekräftades av tillväxt av kolonier från de återstående bakterierna. Båda antibiotika minskade kraftigt antalet levande celler.

För att avgöra hur allmänt användbar tekniken kan vara, ytterligare studier kommer att behövas med hjälp av ett antal bakteriearter och antibiotika som fungerar på olika sätt. NIST-forskare har beviljats ​​patent på tekniken:RESONATOR AND PROCESS FOR PERFORMING BIOLOGICAL ASSAY, U.S. patent nr 9, 725, 752, utfärdat 8 augusti, 2017.