Rapid Antibiotic Susceptibility Testing by Reflectometric Interference Fourier Transform Spectroscopy on pH-responsive Hydrogel Infiltrated Porous Silicon Integrated into Microchips
Dit artikel presenteert een snel, labelvrij platform voor antimicrobiële gevoeligheidstesten dat pH-responsieve, door hydrogel geïnfiltreerde poreuze siliciummicrochips integreert met microfluidica om bacteriële metabole verzuring te detecteren via optische interferometrie, wat nauwkeurige resultaten voor de antibioticaresistentie van *E. coli* mogelijk maakt binnen 1,5 uur.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Wanneer een bacteriële infectie toeslaat, staan artsen in een race tegen de klok. Ze moeten een antibioticum kiezen dat de specifieke kiem die de ziekte veroorzaakt, zal stoppen, maar bacteriën zijn niet allemaal hetzelfde; sommige zijn sterk genoeg om bepaalde medicijnen te overleven, terwijl anderen gemakkelijk worden verslagen. De standaardmanier om het juiste medicijn te vinden, houdt in dat de bacteriën in een laboratorium worden gekweekt en men kijkt hoe ze strijden tegen verschillende medicijnen, een proces dat bijna een volle dag of langer duurt. Terwijl artsen wachten, moeten ze vaak raden welk medicijn ze moeten gebruiken, een strategie die kan mislukken als de gok fout is en de bacteriën de kans geeft om te vermenigvuldigen of resistentie te ontwikkelen. Wetenschappers zoeken al lang naar een snellere manier om te zien hoe bacteriën op medicijnen reageren, een manier die niet afhankelijk is van het wachten op zichtbare groei of het gebruik van lichtgevende kleurstoffen om de cellen te volgen.
Een team van onderzoekers heeft nu een minuscuul, geïntegreerd apparaat gebouwd dat dit testproces versnelt door te kijken naar hoe bacteriën de chemie van hun omgeving veranderen. Het systeem berust op een eenvoudige biologische feit: naarmate bacteriën eten en groeien, laten ze zuur vrij, waardoor hun omgeving zuurder wordt. Als een medicijn werkt, stoppen de bacteriën met eten en stopt de productie van zuur. De onderzoekers hebben een sensor gemaakt die deze minuscule verschuivingen in zuurgraad bijna onmiddellijk kan detecteren. Ze combineerden een microscopisch siliconen chip, die fungeert als een zeer gevoelige liniaal voor licht, met een zacht, geleiachtig materiaal dat opzwelt wanneer het nat wordt en van grootte verandert wanneer de zuurgraad verschuift. Door deze gelei in de kleine gaatjes van de siliconen chip te vangen, creëerden ze een sensor die fysiek uitzet of krimpt op basis van het pH-niveau van de vloeistof die eroverheen stroomt. Deze fysieke verandering wordt gemeten door licht van de chip te weerkaatsen en het patroon te analyseren, waardoor het apparaat de chemische veranderingen die binnen de cultuur van de bacteriën plaatsvinden, kan "zien".
De onderzoekers hebben dit systeem geconstrueerd met behulp van een 3D-geprinte microchip die fungeert als een concentratiegradiëntgenerator. Dit apparaat neemt twee stromen vloeistof — één die bacteriën bevat en de andere die een antibioticum bevat — en mengt deze in nauwkeurige verhoudingen terwijl ze door kleine kanaaltjes stromen. Deze opstelling stelt het systeem in staat om vijf verschillende antibioticaconcentraties tegelijkertijd in één enkele run te testen. De gemengde vloeistoffen stromen vervolgens over vijf afzonderlijke sensorzones, die elk een stukje van de siliconen chip bevatten die met de pH-gevoelige gelei is gecoat. Wanneer de bacteriën in een specifiek kanaal vrij groeien, produceren ze zuur, waardoor de gelei opzwelt en de manier waarop licht van de siliconen chip reflecteert verandert. Als het antibioticum in dat kanaal effectief is, stoppen de bacteriën met groeien, wordt er geen zuur geproduceerd en blijft de gelei onveranderd. Het hele proces wordt gemonitord door een gespecialiseerde optische opstelling die deze veranderingen in realtime registreert.
Om te bewijzen dat het systeem werkte, testte het team het met een veelvoorkomende bacterie genaamd Escherichia coli en drie verschillende antibiotica: ciprofloxacine, gentamicine en ceftazidim. Ze verifieerden eerst dat de sensor de veranderingen in zuurgraad nauwkeurig kon detecteren door de sensor bloot te stellen aan bufferoplossingen met bekende pH-waarden, waarmee werd bevestigd dat het optische signaal overeenkwam met de chemische realiteit. Ze toonden vervolgens aan dat de sensor het zuur kon detecteren dat door groeiende bacteriën wordt geproduceerd zonder dat er antibiotica aanwezig waren. Ten slotte voerden ze de volledige test uit, waarbij ze de bacteriën blootstelden aan de drie medicijnen. De resultaten waren opmerkelijk. Het apparaat was in staat om te bepalen welke antibioticaconcentraties de groei van de bacteriën stopzetten in slechts anderhalf uur. Dit is een fractie van de tijd die traditionele methoden nodig hebben, die doorgaans acht uur of meer nodig hebben om betrouwbare resultaten te produceren.
De gegevens verzameld door het snelle apparaat kwamen met een hoge mate van nauwkeurigheid overeen met de resultaten van de tragere, conventionele tests. Voor de antibiotica ciprofloxacine en gentamicine was de overeenkomst tussen de nieuwe methode en de oude standaard bijna perfect, en voor ceftazidim was de match zelfs nog nauwer. De onderzoekers bevestigden dat de veranderingen die ze zagen inderdaad werden veroorzaakt door de metabole activiteit van de bacteriën en niet door een andere interactie met de sensor. Door een 3D-geprinte mengchip te combineren met een gevoelige optische sensor, heeft het team aangetoond een manier te hebben om meerdere medicijnconcentraties tegelijkertijd te screenen, met zeer kleine hoeveelheden vloeistof en zonder chemische labels. Deze aanpak biedt een veelbelovend pad naar snellere, preciezere beslissingen bij de behandeling van bacteriële infecties, wat artsen potentieel helpt om veel eerder de juiste behandeling te kiezen dan momenteel mogelijk is.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.