Rapid Antibiotic Susceptibility Testing by Reflectometric Interference Fourier Transform Spectroscopy on pH-responsive Hydrogel Infiltrated Porous Silicon Integrated into Microchips
Questo articolo presenta una piattaforma di test di suscettibilità antimicrobica rapida e priva di marcatori che integra microchip di silicio poroso infiltrati con idrogel sensibili al pH e la microfluidica per rilevare l'acidificazione metabolica batterica tramite interferometria ottica, consentendo risultati accurati sulla suscettibilità agli antibiotici per *E. coli* entro 1,5 ore.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Quando un'infezione batterica colpisce, i medici si trovano a dover correre contro il tempo. Devono scegliere un antibiotico che fermi il germe specifico che causa la malattia, ma i batteri non sono tutti uguali; alcuni sono abbastanza resistenti da sopravvivere a certi farmaci, mentre altri vengono sconfitti facilmente. Il modo standard per trovare la medicina giusta prevede la coltivazione dei batteri in un laboratorio e l'osservazione della loro lotta contro diversi farmaci, un processo che richiede quasi un giorno intero o più. Mentre i medici aspettano, spesso devono indovinare quale farmaco usare, una strategia che può fallire se l'ipotesi è errata e permette ai batteri di moltiplicarsi o sviluppare resistenza. Gli scienziati cercano da tempo un modo più veloce per vedere come i batteri reagiscono ai medicinali, uno che non dipenda dall'attesa della crescita visibile o dall'uso di coloranti fluorescenti per tracciare le cellule.
Un team di ricercatori ha ora costruito un piccolo dispositivo integrato che velocizza questo processo di test osservando come i batteri cambiano la chimica del loro ambiente. Il sistema si basa su un semplice fatto biologico: mentre i batteri mangiano e crescono, rilasciano acido, rendendo l'ambiente circostante più acido. Se un farmaco funziona, i batteri smettono di mangiare e la produzione di acido si arresta. I ricercatori hanno creato un sensore in grado di rilevare questi minuscoli spostamenti di acidità quasi istantaneamente. Hanno combinato un chip di silicio microscopico, che funge da righello altamente sensibile per la luce, con un materiale morbido e gelatinoso che si gonfia quando si bagna e cambia dimensione quando l'acidità varia. Intrappolando questa gelatina all'interno dei piccoli fori del chip di silicio, hanno creato un sensore che si espande o si contrae fisicamente in base al livello di pH del liquido che scorre sopra di esso. Questo cambiamento fisico viene misurato facendo rimbalzare la luce sul chip e analizzando il modello, permettendo al dispositivo di "vedere" i cambiamenti chimici che avvengono all'interno della coltura batterica.
I ricercatori hanno costruito questo sistema utilizzando un microchip stampato in 3D che funge da generatore di gradiente di concentrazione. Questo dispositivo prende due flussi di liquido — uno contenente batteri e l'altro un antibiotico — e li mescola in rapporti precisi mentre scorrono attraverso piccoli canali. Questa configurazione consente al sistema di testare cinque diverse concentrazioni di antibiotico simultaneamente in una singola corsa. I liquidi miscelati scorrono poi su cinque zone di rilevamento separate, ciascuna delle quali contiene un pezzo del chip di silicio rivestito dalla gelatina sensibile al pH. Quando i batteri in un determinato canale crescono liberamente, producono acido, facendo gonfiare la gelatina e cambiando il modo in cui la luce si riflette sul silicio. Se l'antibiotico in quel canale è efficace, i batteri smettono di crescere, non viene prodotto acido e la gelatina rimane invariata. L'intero processo è monitorato da un set ottico specializzato che registra questi cambiamenti in tempo reale.
Per dimostrare che il sistema funzionasse, il team lo ha testato utilizzando un comune batterio chiamato Escherichia coli e tre diversi antibiotici: ciprofloxacina, gentamicina e ceftazidima. Hanno prima verificato che il sensore potesse rilevare accuratamente i cambiamenti di acidità esponendolo a soluzioni tampone con livelli di pH noti, confermando che il segnale ottico corrispondesse alla realtà chimica. Hanno poi dimostrato che il sensore poteva rilevare l'acido prodotto dai batteri in crescita in assenza di antibiotici. Infine, hanno eseguito il test completo, esponendo i batteri ai tre farmaci. I risultati sono stati sorprendenti. Il dispositivo è stato in grado di determinare quali concentrazioni di antibiotico bloccavano la crescita dei batteri in sole un'ora e mezza. Si tratta di una frazione del tempo richiesto dai metodi tradizionali, che tipicamente necessitano di otto ore o più per produrre risultati affidabili.
I dati raccolti dal dispositivo rapido corrispondevano ai risultati dei test convenzionali più lenti con un alto grado di precisione. Per gli antibiotici ciprofloxacina e gentamicina, l'accordo tra il nuovo metodo e lo standard precedente era quasi perfetto, e per la ceftazidima, la corrispondenza era ancora più stretta. I ricercatori hanno confermato che i cambiamenti osservati erano effettivamente causati dall'attività metabolica dei batteri e non da altre interazioni con il sensore. Combinando un chip di miscelazione stampato in 3D con un sensore ottico sensibile, il team ha dimostrato un modo per esaminare più concentrazioni di farmaci contemporaneamente, utilizzando quantità molto piccole di liquido e senza etichette chimiche. Questo approccio offre una strada promettente verso decisioni più rapide e precise nel trattamento delle infezioni batteriche, aiutando potenzialmente i medici a scegliere il trattamento giusto molto prima di quanto sia attualmente possibile.
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