En pappersbaserad plattform utvecklad av forskare vid Indian Institute of Science (IISc) och Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research (JNCASR) kan hjälpa till att snabbt upptäcka förekomsten av antibiotikaresistenta, sjukdomsframkallande bakterier.
En av mänsklighetens största utmaningar har varit uppkomsten av sjukdomsframkallande bakterier som är resistenta mot antibiotika. Deras uppkomst har drivits på av missbruk och överanvändning av antibiotika.
En handfull sådana bakterier – inklusive E. coli och Staphylococcus aureus – har orsakat över en miljon dödsfall, och dessa siffror förväntas stiga under de kommande åren, enligt Världshälsoorganisationen. Snabb diagnos kan förbättra behandlingens effektivitet.
"I allmänhet diagnostiserar läkaren patienten och ger dem mediciner. Patienten tar det sedan i 2–3 dagar innan han inser att medicinen inte fungerar och går tillbaka till läkaren. Till och med diagnostisera att bakterien är antibiotikaresistent från blod eller urintester tar tid Vi ville minska den tiden till diagnos, säger Uday Maitra, professor vid institutionen för organisk kemi, IISc.
I en artikel publicerad i ACS Sensors, Maitras labb och samarbetspartners har tagit sig an denna utmaning. De har utvecklat ett protokoll för snabb diagnos som använder en självlysande pappersbaserad plattform för att upptäcka närvaron av antibiotikaresistenta bakterier.
Det finns olika sätt på vilka en bakterie blir resistent mot antibiotika. I den ena utvecklas bakterien och kan känna igen och mata ut medicinen ur sin cell. I en annan producerar bakterien ett enzym som kallas β-laktamas, som hydrolyserar β-laktamringen – en viktig strukturell komponent i vanliga antibiotika som penicillin och karbapenem – vilket gör medicineringen ineffektiv.
Tillvägagångssättet som utvecklats av IISc- och JNCASR-teamet involverar inkorporering av bifenyl-4-karboxylsyra (BCA) i en supramolekylär hydrogelmatris som innehåller terbiumkolat (TbCh). Denna hydrogel avger normalt grön fluorescens när UV-ljus lyser på den.
"I labbet syntetiserade vi ett enzymsubstrat genom att binda BCA till den cykliska [β-laktam]-ringen som är en del av antibiotikan. När du blandar detta med TbCh-hydrogel, finns det ingen grön emission eftersom sensibilisatorn är "maskerad" ,'" förklarar Arnab Dutta, Ph.D. student vid Institutionen för organisk kemi, IISc, och huvudförfattare till uppsatsen.
"I närvaro av β-laktamasenzym kommer gelén att producera grön emission. β-laktamasenzym i bakterierna är det som skär upp läkemedlet, förstör och avslöjar sensibilisatorn BCA. Så, närvaron av β-laktamas är signaleras av grönt utsläpp."
Luminescensen signalerar närvaron av antibiotikaresistenta bakterier, och intensiteten av luminescensen indikerar bakteriebelastningen. För icke-resistenta bakterier visade sig grönintensiteten vara extremt låg, vilket gör det lättare att skilja dem från resistenta bakterier.
Nästa steg var att hitta ett sätt att göra tekniken billig. För närvarande använda diagnostikinstrument är dyra, vilket driver upp priset för testning.
Teamet samarbetade med ett Tamil Nadu-baserat företag som heter Adiuvo Diagnostics för att designa en skräddarsydd, bärbar och miniatyrbildenhet, kallad Illuminate Fluorescence Reader. Att infundera hydrogelen i ett pappersark som medium minskade kostnaden avsevärt. Instrumentet är försett med olika lysdioder som lyser med UV-strålning efter behov. Grön fluorescens från enzymet fångas upp av en inbyggd kamera och en dedikerad programvaruapp mäter intensiteten, vilket kan hjälpa till att kvantifiera bakteriebelastningen.
Teamet från IISc knöt ihop med Jayanta Haldars forskargrupp från JNCASR för att kontrollera deras tillvägagångssätt för urinprover. "Vi använde prover från friska frivilliga och lade till patogena bakterier för att efterlikna urinvägsinfektioner. Det gav resultat inom två timmar", förklarar Maitra.
Som nästa steg planerar forskarna att knyta an till sjukhus för att testa denna teknik med prover från patienter.
Mer information: Arnab Dutta et al, Augmenting Antimicrobial Resistance Surveillance:Snabb detektion av β-laktamas-uttryckande läkemedelsresistenta bakterier genom sensibiliserad luminescens på en pappersstödd hydrogel, ACS-sensorer (2023). DOI:10.1021/acssensors.3c02065
Journalinformation: ACS-sensorer
Tillhandahålls av Indian Institute of Science
