Een draagbaar diagnostisch apparaat dat onderzoekers van het Massachusetts General Hospital (MGH) voor het eerst ontwikkelden om kanker te diagnosticeren, is aangepast om snel tuberculose (TB) en andere belangrijke infectieuze bacteriën te diagnosticeren. Twee artikelen die in de tijdschriften verschijnen Natuurcommunicatie en Natuur Nanotechnologie beschrijf draagbare apparaten die microfluïdische technologie combineren met nucleaire magnetische resonantie (NMR) om niet alleen deze belangrijke infecties te diagnosticeren, maar ook om de aanwezigheid van antibioticaresistente bacteriestammen te bepalen.

"Het snel identificeren van de ziekteverwekker die verantwoordelijk is voor een infectie en het testen op de aanwezigheid van resistentie zijn niet alleen van cruciaal belang voor de diagnose, maar ook om te beslissen welke antibiotica aan een patiënt moeten worden gegeven, " zegt Ralph Weissleder, MD, doctoraat, directeur van het MGH Center for Systems Biology (CSB) en co-senior auteur van beide artikelen. "Met deze beschreven methoden kunnen we dit in twee tot drie uur doen, een enorme verbetering ten opzichte van de standaard kweekpraktijk, wat wel twee weken kan duren om een ​​diagnose te stellen."

Onderzoekers van het MGH CSB ontwikkelden eerder draagbare apparaten die kankerbiomarkers in het bloed of in zeer kleine weefselmonsters kunnen detecteren. Doelcellen of moleculen worden eerst gelabeld met magnetische nanodeeltjes, en het monster wordt vervolgens door een micro-NMR-systeem geleid dat in staat is om niveaus van het doelwit te detecteren en te kwantificeren. Maar de eerste pogingen om het systeem aan te passen aan bacteriële diagnose hadden moeite om antilichamen te vinden - de detectiemethode die in de eerdere onderzoeken werd gebruikt - die de specifieke bacteriën nauwkeurig zouden detecteren. In plaats daarvan schakelde het team over op het richten op specifieke nucleïnezuursequenties.

Het systeem beschreven in de Natuurcommunicatie papier, gepubliceerd op 23 april detecteert DNA van de tuberculosebacterie in kleine sputummonsters. Nadat het DNA uit het monster is geëxtraheerd, een van de aanwezige doelwitsequenties wordt geamplificeerd met behulp van een standaardprocedure, vervolgens gevangen door polymeerparels die complementaire nucleïnezuursequenties bevatten en gelabeld met magnetische nanodeeltjes met sequenties die binden aan andere delen van het doel-DNA. De miniatuur NMR-spoel die in het apparaat is ingebouwd – die ongeveer zo groot is als een standaard laboratoriumglaasje – detecteert elk TB-bacterieel DNA dat in het monster aanwezig is.

Tests van het apparaat op monsters van patiënten waarvan bekend is dat ze tbc hebben en van gezonde controles identificeerden alle positieve monsters zonder valse positieven in minder dan drie uur. Bestaande diagnostische procedures kunnen weken duren om resultaten te geven en kunnen tot 40 procent van de geïnfecteerde patiënten missen. De resultaten waren zelfs nog sterker voor patiënten die besmet waren met zowel tbc als hiv - waarschijnlijk omdat infectie met beide pathogenen leidt tot hoge niveaus van de tbc-bacteriën - en gespecialiseerde nucleïnezuursondes die door het onderzoeksteam waren ontwikkeld, waren in staat om therapieresistente bacteriestammen te onderscheiden.

De Natuur Nanotechnologie papier, wordt vandaag online uitgegeven, beschrijft een soortgelijk systeem met ribosomaal RNA (rRNA) - dat al in gebruik is als bacteriële biomarker - als doelwit voor het labelen van nanodeeltjes. De onderzoekers ontwikkelden zowel een universele nucleïnezuursonde die een rRNA-gebied detecteert dat veel bacteriesoorten gemeen hebben, en een reeks sondes die gericht zijn op sequenties die specifiek zijn voor 13 klinisch belangrijke pathogenen, inclusief Streptococcus pneumoniae , Escherichia coli en methicilline-resistent Staphylococcus aureus (MRSA).

Het apparaat was gevoelig genoeg om slechts één of twee bacteriën in een bloedmonster van 10 ml te detecteren en om de bacteriële belasting nauwkeurig in te schatten. Door het systeem te testen op bloedmonsters van patiënten met bekende infecties werd de specifieke bacteriesoort in minder dan twee uur nauwkeurig geïdentificeerd en werden ook twee soorten gedetecteerd die niet waren geïdentificeerd met standaard kweektechnieken.

Hoewel beide systemen verder moeten worden ontwikkeld om alle stappen in verzegelde, zelfstandige apparaten, het risico op besmetting te verminderen, Weissleder merkt op dat het kleine formaat en het gebruiksgemak van deze apparaten ze ideaal maken voor gebruik in ontwikkelingslanden. "De magnetische interacties waarop de detectie van pathogenen is gebaseerd, zijn zeer betrouwbaar, ongeacht de kwaliteit van het monster, wat betekent dat uitgebreide zuivering - wat moeilijk zou zijn in een omgeving met beperkte middelen - niet nodig is. De mogelijkheid om binnen enkele uren tuberculose te diagnosticeren, kan test- en behandelingsbeslissingen mogelijk maken binnen hetzelfde kliniekbezoek, wat cruciaal kan zijn voor het beheersen van de verspreiding van tbc in ontwikkelingslanden."

Hakho Lee, doctoraat, van het MGH Centrum voor Systeembiologie. co-senior auteur van beide artikelen, merkt op dat het systeem ook belangrijke toepassingen zal hebben in ontwikkelde landen. "Het vermogen van het systeem om niet alleen bacteriesoorten te identificeren, maar ook om factoren zoals antibioticaresistentie te differentiëren, zal clinici helpen patiënten vanaf het begin met de 'juiste' medicijnen te behandelen, wat ook helpt het ontstaan ​​van therapieresistente stammen te verminderen. Het feit dat dit apparaat slechts een kleine druppel van het te testen monster nodig heeft, zal nuttig zijn in gevallen waarin monsters moeilijk te verkrijgen zijn, such as treating children or seniors."