Rapid Antibiotic Susceptibility Testing by Reflectometric Interference Fourier Transform Spectroscopy on pH-responsive Hydrogel Infiltrated Porous Silicon Integrated into Microchips
Cet article présente une plateforme de test de sensibilité antimicrobienne rapide et sans marquage qui intègre des micropuces de silicium poreux infiltrées par un hydrogel sensible au pH à la microfluidique pour détecter l'acidification métabolique bactérienne par interférométrie optique, permettant d'obtenir des résultats précis de sensibilité aux antibiotiques pour *E. coli* en 1,5 heure.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Lorsqu'une infection bactérienne frappe, les médecins sont engagés dans une course contre la montre. Ils doivent choisir un antibiotique capable d'arrêter le germe spécifique causant la maladie, mais toutes les bactéries ne sont pas identiques ; certaines sont assez robustes pour survivre à certains médicaments, tandis que d'autres sont facilement vaincues. La méthode standard pour trouver le bon médicament consiste à cultiver les bactéries en laboratoire et à observer leur lutte contre différents médicaments, un processus qui prend près d'une journée entière ou plus. Pendant que les médecins attendent, ils doivent souvent deviner quel médicament utiliser, une stratégie qui peut échouer si la supposition est erronée, permettant ainsi aux bactéries de se multiplier ou de développer une résistance. Les scientifiques chercheent depuis longtemps un moyen plus rapide de voir comment les bactéries réagissent aux médicaments, un moyen qui ne repose pas sur l'attente d'une croissance visible ou sur l'utilisation de colorants fluorescents pour suivre les cellules.
Une équipe de chercheurs a désormais construit un dispositif intégré minuscule qui accélère ce processus de test en observant comment les bactéries modifient la chimie de leur environnement. Le système repose sur un fait biologique simple : à mesure que les bactéries mangent et croissent, elles libèrent de l'acide, rendant leur environnement plus acide. Si un médicament fonctionne, les bactéries cessent de manger et la production d'acide s'arrête. Les chercheurs ont créé un capteur capable de détecter ces infimes variations d'acidité de manière presque instantanée. Ils ont combiné une puce de silicium microscopique, qui agit comme une règle de lumière hautement sensible, avec un matériau gélatineux et mou qui gonfle lorsqu'il est mouillé et change de taille lorsque l'acidité varie. En piégeant cette gelée à l'intérieur des minuscules trous de la puce de silicium, ils ont créé un capteur qui se dilate ou se contracte physiquement en fonction du niveau de pH du liquide qui s'écoule sur elle. Ce changement physique est mesuré en faisant rebondir la lumière sur la puce et en analysant le motif, permettant au dispositif de « voir » les changements chimiques se produisant à l'intérieur de la culture bactérienne.
Les chercheurs ont construit ce système à l'aide d'une puce imprimée en 3D qui fait office de générateur de gradient de concentration. Ce dispositif prend deux flux de liquide — l'un contenant des bactéries et l'autre un antibiotique — et les mélange dans des ratios précis alors qu'ils circulent à travers de minuscules canaux. Cette configuration permet au système de tester cinq concentrations différentes d'antibiotiques simultanément lors d'un seul passage. Les liquides mélangés s'écoulent ensuite sur cinq zones de détection distinctes, chacune contenant un morceau de la puce de silicium recouverte de la gelée sensible au pH. Lorsque les bactéries dans un canal donné croissent librement, elles produisent de l'acide, ce qui fait gonfler la gelée et modifie la façon dont la lumière se réfléchit sur le silicium. Si l'antibiotique dans ce canal est efficace, les bactéries cessent de croître, l'acide n'est pas produit et la gelée reste inchangée. L'ensemble du processus est surveillé par un montage optique spécialisé qui enregistre ces changements en temps réel.
Pour prouver que le système fonctionnait, l'équipe l'a testé en utilisant une bactérie commune appelée Escherichia coli et trois antibiotiques différents : la ciprofloxacine, la gentamicine et la ceftazidime. Ils ont d'abord vérifié que le capteur pouvait détecter avec précision les changements d'acidité en l'exposant à des solutions tampons de pH connus, confirmant que le signal optique correspondait à la réalité chimique. Ils ont ensuite montré que le capteur pouvait détecter l'acide produit par des bactéries en croissance en l'absence de tout antibiotque. Enfin, ils ont effectué le test complet, exposant les bactéries aux trois médicaments. Les résultats étaient frappants. Le dispositif a été capable de déterminer quelles concentrations d'antibiotiques arrêtaient la croissance des bactéries en seulement une heure et demie. C'est une fraction du temps requis par les méthodes traditionnelles, qui nécessitent généralement huit heures ou plus pour produire des résultats fiables.
Les données collectées par le dispositif rapide correspondaient aux résultats des tests conventionnels plus lents avec un haut degré de précision. Pour la ciprofloxacine et la gentamicine, l'accord entre la nouvelle méthode et l'étalon ancien était presque parfait, et pour la ceftazidime, la correspondance était encore plus étroite. Les chercheurs ont confirmé que les changements observés étaient bien causés par l'activité métabolique des bactéries et non par une autre interaction avec le capteur. En combinant une puce de mélange imprimée en 3D avec un capteur optique sensible, l'équipe a démontré une façon de cribler plusieurs concentrations de médicaments à la fois, en utilisant de très petites quantités de liquide et sans marqueurs chimiques. Cette approche offre une voie prometteuse vers des décisions plus rapides et plus précises dans le traitement des infections bactériennes, aidant potentiellement les médecins à choisir le traitement approprié bien plus tôt que ce qui est actuellement possible.
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