Rapid Antibiotic Susceptibility Testing by Reflectometric Interference Fourier Transform Spectroscopy on pH-responsive Hydrogel Infiltrated Porous Silicon Integrated into Microchips
Diese Arbeit präsentiert eine schnelle, markierungsfreie Plattform zur Bestimmung der Antibiotikaempfindlichkeit, die pH-responsive, mit Hydrogel infiltrierte poröse Silizium-Mikrochips mit Mikrofluidik integriert, um die bakterielle metabolische Ansäuerung mittels optischer Interferometrie zu detektieren, was präzise Ergebnisse zur Antibiotikaempfindlichkeit von *E. coli* innerhalb von 1,5 Stunden ermöglicht.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Wenn eine bakterielle Infektion zuschlägt, stehen Ärzte in einem Wettlauf gegen die Zeit. Sie müssen ein Antibiotikum auswählen, das den spezifischen Keim stoppt, der die Krankheit verursacht, aber Bakterien sind nicht alle gleich; einige sind zäh genug, um bestimmte Medikamente zu überleben, während andere leicht besiegt werden können. Die Standardmethode, um das richtige Medikament zu finden, besteht darin, die Bakterien im Labor zu züchten und zu beobachten, wie sie gegen verschiedene Wirkstoffe ankämpfen – ein Prozess, der fast einen vollen Tag oder länger dauert. Während die Ärzte warten, müssen sie oft raten, welches Medikament sie verwenden sollen, eine Strategie, die fehlschlagen kann, wenn die Vermutung falsch ist und es den Bakterien ermöglicht, sich zu vermehren oder Resistenzen zu entwickeln. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem schnelleren Weg, um zu sehen, wie Bakterien auf Medizin reagieren, einer Methode, die nicht darauf angewiesen ist, auf sichtbares Wachstum zu warten oder leuchtende Farbstoffe zu verwenden, um die Zellen zu verfolgen.
Ein Team von Forschern hat nun ein winziges, integriertes Gerät entwickelt, das diesen Testprozess beschleunigt, indem es beobachtet, wie Bakterien die Chemie ihrer Umgebung verändern. Das System beruht auf einer einfachen biologischen Tatsache: Während Bakterien fressen und wachsen, geben sie Säure ab, was ihre Umgebung saurer macht. Wenn ein Medikament wirkt, hören die Bakterien auf zu fressen und die Säureproduktion kommt zum Stillstand. Die Forscher haben einen Sensor entwickelt, der diese winzigen Verschiebungen des Säuregehalts fast augenblicklich erkennen kann. Sie kombinierten einen mikroskopischen Silizium-Chip, der wie ein hochempfindliches Lineal für Licht fungiert, mit einem weichen, geleeartigen Material, das anschwillt, wenn es nass wird, und seine Größe verändert, wenn sich der Säuregehalt verschiebt. Indem sie dieses Gel in die winzigen Löcher des Silizium-Chips einschlossen, schufen sie einen Sensor, der sich physisch ausdehnt oder zusammenzieht, basierend auf dem pH-Wert der Flüssigkeit, die über ihn fließt. Diese physikalische Änderung wird gemessen, indem Licht von dem Chip abprallt und das Muster analysiert wird, wodurch das Gerät die chemischen Veränderungen „sehen“ kann, die innerhalb der Bakterienkultur geschehen.
Die Forscher konstruierten dieses System unter Verwendung eines 3D-gedruckten Mikrochips, der als Konzentrationsgradienten-Generator fungiert. Dieses Gerät nimmt zwei Flüssigkeitsströme auf – einen, der Bakterien enthält, und einen, der ein Antibiotikum enthält – und mischt sie in präzisen Verhältnissen, während sie durch winzige Kanäle fließen. Dieser Aufbau ermöglicht es dem System, fünf verschiedene Antibiotika-Konzentrationen gleichzeitig in einem einzigen Durchgang zu testen. Die gemischten Flüssigkeiten fließen dann über fünf separate Sensorzonen, die jeweils ein Stück des Silizium-Chips halten, welcher mit dem pH-sensitiven Gel beschichtet ist. Wenn die Bakterien in einem bestimmten Kanal frei wachsen, produzieren sie Säure, was das Gel anschwellen lässt und die Art und Weise verändert, wie Licht vom Silizium reflektiert wird. Wenn das Antibiotikum in diesem Kanal wirksam ist, hören die Bakterien auf zu wachsen, es wird keine Säure produziert und das Gel bleibt unverändert. Der gesamte Prozess wird durch einen spezialisierten optischen Aufbau überwacht, der diese Veränderungen in Echtzeit aufzeichnet.
Um zu beweisen, dass das System funktionierte, testete das Team es mit einem häufig vorkommenden Bakterium namens Escherichia coli und drei verschiedenen Antibiotika: Ciprofloxacin, Gentamicin und Ceftazidim. Zuer었 verifizierten sie, dass der Sensor Änderungen des Säuregehalts durch die Exposition gegenüber Pufferlösungen mit bekannten pH-Werten genau erkennen konnte, wodurch bestätigt wurde, dass das optische Signal der chemischen Realität entsprach. Sie zeigten dann, dass der Sensor die von wachsenden Bakterien produzierte Säure auch ohne Antibiotika detektieren konnte. Schließlich führten sie den vollständigen Test durch, indem sie die Bakterien den drei Medikamenten aussetzten. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Das Gerät war in der Lage, innerhalb von nur anderthalb Stunden zu bestimmen, welche Antibiotika-Konzentrationen das Wachstum der Bakterien stoppten. Dies ist ein Bruchteil der Zeit, die herkömmliche Methoden benötigen, die typischerweise acht Stunden oder mehr brauchen, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern.
Die vom schnellen Gerät gesammelten Daten stimmten mit einem hohen Maß an Genauigkeit mit den Ergebnissen der langsameren, konventionellen Tests überein. Für die Antibiotika Ciprofloxacin und Gentamicin war die Übereinstimmung zwischen der neuen Methode und dem alten Standard nahezu perfekt, und für Ceftazidim war die Übereinstimmung sogar noch enger. Die Forscher bestätigten, dass die beobachteten Veränderungen tatsächlich durch die metabolische Aktivität der Bakterien verursacht wurden und nicht durch eine andere Interaktion mit dem Sensor. Durch die Kombination eines 3D-gedruckten Mischchips mit einem empfindlichen optischen Sensor demonstrierte das Team einen Weg, mehrere Medikamentenkonzentrationen gleichzeitig zu testen, wobei sehr kleine Mengen an Flüssigkeit und keine chemischen Marker verwendet werden. Dieser Ansatz bietet einen vielversprechenden Pfad hin zu schnelleren, präziseren Entscheidungen bei der Behandlung bakterieller Infektionen und könnte Ärzten helfen, die richtige Behandlung viel früher zu wählen, als dies derzeit möglich ist.
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