En handhållen diagnostisk enhet som utredare från Massachusetts General Hospital (MGH) först utvecklade för att diagnostisera cancer har anpassats för att snabbt diagnostisera tuberkulos (TB) och andra viktiga infektionsbakterier. Två artiklar förekommer i tidskrifterna Naturkommunikation och Naturens nanoteknik beskriver bärbara enheter som kombinerar mikrofluidisk teknologi med kärnmagnetisk resonans (NMR) för att inte bara diagnostisera dessa viktiga infektioner utan också fastställa förekomsten av antibiotikaresistenta bakteriestammar.

"Att snabbt identifiera patogenen som är ansvarig för en infektion och testa för närvaron av resistens är avgörande inte bara för diagnosen utan också för att bestämma vilken antibiotika som ska ge en patient, säger Ralph Weissleder, MD, PhD, chef för MGH Center for Systems Biology (CSB) och medförfattare till båda artiklarna. "De här beskrivna metoderna tillåter oss att göra detta på två till tre timmar, en stor förbättring jämfört med vanliga odlingsmetoder, vilket kan ta så mycket som två veckor att ställa en diagnos."

Utredare vid MGH CSB har tidigare utvecklat bärbara enheter som kan upptäcka cancerbiomarkörer i blodet eller i mycket små vävnadsprover. Målceller eller molekyler märks först med magnetiska nanopartiklar, och provet passeras sedan genom ett mikro-NMR-system som kan detektera och kvantifiera nivåer av målet. Men de första ansträngningarna att anpassa systemet till bakteriediagnostik hade problem med att hitta antikroppar – detektionsmetoden som användes i de tidigare studierna – som exakt kunde detektera de specifika bakterierna. Istället gick teamet över till att rikta in sig på specifika nukleinsyrasekvenser.

Systemet som beskrivs i Naturkommunikation papper, publicerad den 23 april, upptäcker DNA från tuberkulosbakterierna i små sputumprover. Efter att DNA extraherats från provet, någon av målsekvenserna som är närvarande amplifieras med användning av ett standardförfarande, sedan fångas upp av polymerpärlor innehållande komplementära nukleinsyrasekvenser och märkta med magnetiska nanopartiklar med sekvenser som binder till andra delar av mål-DNA:t. Miniatyr-NMR-spolen som är inbyggd i enheten – som är ungefär lika stor som ett standardlaboratorieglas – upptäcker eventuellt TB-bakterie-DNA som finns i provet.

Tester av enheten på prover från patienter som är kända för att ha TB och från friska kontroller identifierade alla positiva prover utan falskt positiva på mindre än tre timmar. Befintliga diagnostiska procedurer kan ta veckor att ge resultat och kan missa upp till 40 procent av infekterade patienter. Resultaten var ännu starkare för patienter infekterade med både TB och HIV – förmodligen för att infektion med båda patogenerna leder till höga nivåer av TB-bakterierna – och specialiserade nukleinsyrasonder utvecklade av forskargruppen kunde urskilja behandlingsresistenta bakteriestammar.

De Naturens nanoteknik papper, ges ut online idag, beskriver ett liknande system som använder ribosomalt RNA (rRNA) – som redan används som en bakteriell biomarkör – som mål för nanopartikelmärkning. Utredarna utvecklade både en universell nukleinsyrasond som detekterar en rRNA-region som är gemensam för många bakteriearter och en uppsättning sönder som riktar sig mot sekvenser specifika för 13 kliniskt viktiga patogener, Inklusive Streptococcus pneumoniae , Escherichia coli och meticillinresistent Staphylococcus aureus (MRSA).

Enheten var tillräckligt känslig för att upptäcka så få som en eller två bakterier i ett 10 ml blodprov och för att exakt uppskatta bakteriemängden. Att testa systemet på blodprover från patienter med kända infektioner identifierade exakt den specifika bakteriearten på mindre än två timmar och upptäckte även två arter som inte hade identifierats med standardodlingstekniker.

Även om båda systemen kräver vidareutveckling för att integrera alla steg i förseglade, fristående enheter, minska risken för kontaminering, Weissleder noterar att den lilla storleken och användarvänligheten hos dessa enheter gör dem idealiska för användning i utvecklingsländer. "De magnetiska interaktionerna som patogendetektion baseras på är mycket tillförlitliga, oavsett kvaliteten på provet, vilket innebär att omfattande rening – vilket skulle vara svårt i resursbegränsade miljöer – inte är nödvändig. Förmågan att diagnostisera tuberkulos på några timmar kan tillåta tester och behandlingsbeslut inom samma klinikbesök, vilket kan vara avgörande för att kontrollera spridningen av tuberkulos i utvecklingsländer."

Hakho Lee, PhD, från MGH Center for Systems Biology. co-senior författare till båda tidningarna, noterar att systemet även kommer att ha viktiga tillämpningar i utvecklade länder. "Förmågan hos systemet att inte bara identifiera bakteriearter utan också att differentiera faktorer som antibiotikaresistens kommer att hjälpa läkare att behandla patienter med "rätt" läkemedel från början, vilket också hjälper till att minska uppkomsten av behandlingsresistenta stammar. Det faktum att denna enhet endast kräver en liten droppe av provet för att testas kommer att vara till hjälp i fall då prover kan vara svåra att få tag på, som att behandla barn eller äldre."