Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een potentiële nieuwe tactiek aangetoond om snel te bepalen of een antibioticum een ​​bepaalde infectie bestrijdt, waardoor een effectieve medische behandeling wordt versneld en de ontwikkeling van resistente bacteriën wordt beperkt. Hun methode kan snel mechanische fluctuaties van bacteriële cellen detecteren en eventuele veranderingen veroorzaakt door een antibioticum.

Beschreven in Wetenschappelijke rapporten , NIST's prototype sensor levert resultaten in minder dan een uur, veel sneller dan conventionele antimicrobiële tests, die typisch dagen nodig hebben om kolonies van bacteriële cellen te laten groeien. Vertraagde resultaten van conventionele tests zorgen ervoor dat gevaarlijke infecties vorderen voordat effectieve behandelingen kunnen worden gevonden en bieden bacteriën een tijdvenster om resistentie tegen geneesmiddelen te ontwikkelen.

Onjuist voorgeschreven antibiotica en antibioticaresistente bacteriën vormen een ernstige bedreiging voor de volksgezondheid. Minstens 2 miljoen ziekten en 23, 000 sterfgevallen worden jaarlijks toegeschreven aan antibioticaresistente bacteriële infecties in de Verenigde Staten, volgens een rapport uit 2013 van de Centers for Disease Control and Prevention.

Een oplossing kan de nieuwe NIST-detectiebenadering zijn, gebaseerd op een kwartskristalresonator waarvan de trillingen op meetbare manieren variëren wanneer deeltjes op het oppervlak veranderen. De aanpak, waarbij bacteriële cellen zijn gehecht aan een resonator, vertegenwoordigt een nieuwe manier om deze supergevoelige kristallen te gebruiken, die NIST-onderzoekers eerder hebben aangetoond voor toepassingen zoals het meten van de zuiverheid van koolstofnanobuisjes.

De nieuwe NIST-techniek detecteert de mechanische beweging van microben en hun reactie op antibiotica. Andere onderzoekers ontdekten eerder dat sommige bacteriële bewegingen zwakker worden in de aanwezigheid van sommige antibiotica, maar tot nu toe zijn dergelijke veranderingen alleen gedetecteerd met sensoren op microschaal en in het algemeen in beweeglijke bacteriën (aangedreven door draadachtige aanhangsels die flagella worden genoemd). De NIST-methode kan nuttiger zijn in klinische omgevingen omdat het op kosteneffectieve wijze elektronische gegevens verzamelt en, omdat het grote bacteriekolonies waarneemt, kan macroscopisch en robuust zijn.

De sensor is piëzo-elektrisch, wat betekent dat de afmetingen veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld. Een dunne piëzo-elektrische kwartsschijf is ingeklemd tussen twee elektroden. Een wisselspanning met een stabiele frequentie nabij de resonantiefrequentie van het kristal wordt toegepast op één elektrode om kristaltrillingen op te wekken. Van een andere elektrode aan de andere kant van het kristal, onderzoekers registreren oscillerende spanningen van de kristalrespons, een signaal dat fluctuaties in de resonantiefrequentie (of frequentieruis) vertoont die voortkomen uit microbiële mechanische activiteit gekoppeld aan het kristaloppervlak.

Proof-of-concept-tests bij NIST gebruikten twee kwartskristalresonatoren bedekt met enkele miljoenen bacteriële cellen. Eén resonator werd gebruikt om het effect van een antibioticum op de cellen te testen, terwijl de tweede resonator werd gebruikt als controle zonder het antibioticum.

De ultragevoelige benadering maakte detectie mogelijk van door cellen gegenereerde frequentiefluctuaties op een niveau van minder dan een deel op 10 miljard. De experimenten toonden aan dat de hoeveelheid frequentieruis gecorreleerd was met de dichtheid van levende bacteriële cellen. Toen de bacteriën vervolgens werden blootgesteld aan antibiotica, frequentieruis sterk afgenomen. Bacteriën met verlamde flagella werden in de experimenten gebruikt om effecten van zwembewegingen te elimineren. Hierdoor konden de onderzoekers concluderen dat de gedetecteerde celgegenereerde frequentiefluctuaties voortkomen uit trillingen van celwanden.

NIST-onderzoekers voelden de reactie van Escherichia coli ( E coli ) tot twee antibiotica, polymyxine B (PMB) en ampicilline. Door cellen gegenereerde frequentieruis daalde binnen 7 minuten na de introductie van PMB tot bijna nul. Frequentieruis begon af te nemen binnen 15 minuten na het toevoegen van ampicilline en daalde daarna sneller naarmate de cellen uiteenvielen en stierven. Deze tijdschalen weerspiegelen de normale snelheden waarmee deze antibiotica werken.

Na de sensormetingen, de effectiviteit van de antibiotica werd bevestigd door de groei van kolonies van de resterende bacteriën. Beide antibiotica hebben het aantal levende cellen sterk verminderd.

Om te bepalen hoe breed bruikbaar de techniek zou kunnen zijn, verdere studies zullen nodig zijn met een aantal bacteriesoorten en antibiotica die op verschillende manieren werken. NIST-onderzoekers hebben patent gekregen op de techniek:RESONATOR AND PROCESS FOR PERFORMING BIOLOGICAL ASSAY, Amerikaans octrooi nr. 9, 725, 752, uitgegeven op 8 augustus 2017.