Bacteriële infecties zijn wereldwijd een van de grootste gezondheidsproblemen geworden, en een recente studie toont aan dat COVID-19-patiënten een veel grotere kans hebben om secundaire bacteriële infecties op te lopen, wat het sterftecijfer aanzienlijk verhoogt.

Bestrijding van de infecties is geen gemakkelijke taak, Hoewel. Wanneer antibiotica onzorgvuldig en overmatig worden voorgeschreven, dat leidt tot de snelle opkomst en verspreiding van antibioticaresistente genen in bacteriën, waardoor een nog groter probleem ontstaat. Volgens de Centers for Disease Control and Prevention, 2,8 miljoen antibioticaresistente infecties vinden elk jaar plaats in de VS, en meer dan 35, 000 mensen sterven eraan.

Een factor die de strijd tegen antibioticaresistente bacteriën vertraagt, is de hoeveelheid tijd die nodig is om erop te testen. De conventionele methode maakt gebruik van geëxtraheerde bacteriën van een patiënt en vergelijkt laboratoriumculturen die zijn gekweekt met en zonder antibiotica, maar de resultaten kunnen een tot twee dagen duren, het sterftecijfer verhogen, de duur van het ziekenhuisverblijf en de totale zorgkosten.

Universitair hoofddocent Seokheun "Sean" Choi - een faculteitslid van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan het Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science van de Binghamton University - onderzoekt een snellere manier om bacteriën te testen op antibioticaresistentie.

"Om de infecties effectief te behandelen, we moeten de juiste antibiotica selecteren met de exacte dosis voor de juiste duur, " zei hij. "Er is behoefte aan het ontwikkelen van een testmethode voor antibioticagevoeligheid en het bieden van effectieve richtlijnen om deze infecties te behandelen."

In de laatste paar jaren, Choi heeft verschillende projecten ontwikkeld die "papertronics" kruisen met biologie, zoals een die biobatterijen ontwikkelde met menselijk zweet.

Dit nieuwe onderzoek, getiteld "Een eenvoudige, goedkoop, en snelle methode om de effectiviteit van antibiotica tegen exo-elektrogene bacteriën te beoordelen" en gepubliceerd in het novembernummer van het tijdschrift Biosensoren en bio-elektronica — vertrouwt op dezelfde principes als de batterijen:bacteriële elektronenoverdracht, een chemisch proces dat bepaalde micro-organismen gebruiken voor groei, algemeen celonderhoud en informatie-uitwisseling met omringende micro-organismen.

"We gebruiken deze biochemische gebeurtenis voor een nieuwe techniek om de antibiotica-effectiviteit tegen bacteriën te beoordelen zonder de hele bacteriegroei te volgen, ' zei Choi. 'Voor zover ik weet, we zijn de eersten die deze techniek op een snelle en high-throughput manier demonstreren door papier als substraat te gebruiken."

Werken met Ph.D. studenten Yang Gao (die in mei zijn diploma behaalde en nu werkt als postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Texas in Austin), Jihyun Ryu en Lin Liu, Choi ontwikkelde een testapparaat dat continu de extracellulaire elektronenoverdracht van bacteriën controleert.

Een medisch team zou een monster nemen van een patiënt, ent de bacteriën gedurende een paar uur met verschillende antibiotica en meet vervolgens de elektronenoverdrachtssnelheid. Een lager tarief zou betekenen dat de antibiotica werken.

"De hypothese is dat de blootstelling aan antivirale middelen voldoende remming van de bacteriële elektronenoverdracht zou kunnen veroorzaken, dus de uitlezing door het apparaat zou gevoelig genoeg zijn om kleine variaties in de elektrische output te laten zien die worden veroorzaakt door veranderingen in de effectiviteit van antibiotica, ' zei Choi.

Het apparaat zou in slechts vijf uur resultaten kunnen opleveren over antibioticaresistentie, die zou dienen als een belangrijk diagnostisch hulpmiddel op het punt van zorg, vooral in gebieden met beperkte middelen.

Het prototype - gedeeltelijk gebouwd met financiering van de National Science Foundation en het Amerikaanse Office of Naval Research - heeft acht sensoren op het papieroppervlak gedrukt, maar dat zou kunnen worden uitgebreid tot 64 of 96 sensoren als medische professionals andere tests in het apparaat wilden inbouwen.

Voortbouwend op dit onderzoek, Choi weet al waar hij en zijn studenten naartoe willen:"Hoewel veel bacteriën energie produceren, sommige pathogenen voeren geen extracellulaire elektronenoverdracht uit en worden mogelijk niet rechtstreeks in ons platform gebruikt. Echter, verschillende chemische verbindingen kunnen de elektronenoverdracht van niet-elektriciteitsproducerende bacteriën ondersteunen.

"Bijvoorbeeld, E coli kan geen elektronen van de binnenkant van de cel naar buiten overbrengen, maar met de toevoeging van enkele chemische verbindingen, ze kunnen elektriciteit opwekken. Nu werken we eraan om deze techniek algemeen te maken voor alle bacteriecellen."