En forskargrupp från Brock University har skapat en mikroskopisk robot som har potential att identifiera läkemedelsresistens mot tuberkulos snabbare än konventionella tester.

Världshälsoorganisationen (WHO) kallar resistens mot tuberkulosläkemedel "ett formidabelt hinder" för behandling och förebyggande av en sjukdom som dödade 240, 000 personer 2016.

Brock-teamets senaste teknologi bygger på en tidigare version av den mikroskopiska roboten – kallad den tredimensionella DNA-nanomaskinen – de skapade 2016 för att upptäcka sjukdomar i ett blodprov inom 30 minuter.

I den senaste versionen, laget, leds av biträdande professor i kemi Feng Li, designade om nanomaskinen så att den kunde avslöja mutationer i generna som finns i bakterierna som orsakar tuberkulos.

Li säger att nanomaskinen har potentialen att avgöra, inom en timme, om tuberkulosbakterier innehåller de genetiska mutationer som gör dem resistenta mot de grundläggande, förstahandsläkemedel för att bekämpa tuberkulos.

WHO säger att resistens uppstår mest på grund av att patienter inte följer det strikta schemat för antibiotika de behöver ta för att bli botade. Bakteriecellernas gener förändras så att bakterierna kan överleva framtida exponeringar för samma antibiotika, vilket innebär att en andrahandsbehandling då krävs.

Det tar ett tag innan vårdpersonal och patienter inser att förstahandsläkemedlen inte fungerar, varför snabb upptäckt av läkemedelsresistens är så avgörande, säger Li.

"När du bekräftar att det finns tuberkulosinfektion, du måste använda diagnosen för att vägleda den terapeutiska strategin, " säger han. "Normal infektion och läkemedelsresistenta stammar kräver två helt olika typer av strategier."

Li säger att nuvarande resistanstestning är svår, tidskrävande process som kan ta allt från två till sex veckor och kräver utrustning och utbildning på hög nivå. Sålänge, sjukdomen förvärras hos patienter, som också kan överföra sjukdomen till andra.

Brock-teamets nanomaskin består av en 20 nanometer partikel gjord av guld. Korta och långa DNA-strängar är fästa vid guldpartikeln och dessa DNA-molekyler används som byggstenar för att konstruera och driva nanomaskinen.

Doktorand Alex Guan Wang använde en datorsimuleringsmodell för att designa de långa trådarna, som kan söka upp skillnader i nukleotider som finns i tuberkulosbakteriernas gener. En nukleotid är den grundläggande strukturella enheten och byggstenen för DNA, och det är inom dessa som mutationer orsakade av läkemedelsresistens skulle hittas.

De korta DNA-strängarna fästa vid nanomaskinen bär fluorescerande signalreportrar.

Nanomaskinen släpps ner i serum som extraherats från mänskligt blod. Om de långa strängarna upptäcker mutationerna som finns i specifika nukleotider, maskinen slås på och lyser; om provet är sjukdomsfritt, roboten förblir avstängd.

Doktoranden Yongya Li genomförde laboratorieexperimenten. Hon började forskningen först när hon var student.

Teamets resultat finns i deras artikel "Simuleringsstyrd konstruktion av en enzymdriven tredimensionell DNA-nanomaskin för att urskilja enskilda nukleotidvarianter, " publicerad 30 juni i tidskriften Kemivetenskap . Feng Li och hans medarbetare producerade också en annan forskningsartikel i tidskriften Analytisk kemi , beskriver hur man modifierar nanomaskinen för att upptäcka sjukdomar genom att undersöka ett antal proteiner i prover.