Neues Gerät bietet einen schnelleren Weg zum Nachweis von antibiotikaresistenten Bakterien.

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Die Methode misst natürlich vorkommende Elektronentransfers.

Bakterielle Infektionen sind zu einem der größten Gesundheitsprobleme weltweit geworden, und eine kürzlich durchgeführte Studie zeigt, dass COVID-19-Patienten eine viel größere Chance haben, bakterielle Sekundärinfektionen zu bekommen, was die Sterblichkeitsrate deutlich erhöht.

Die Bekämpfung der Infektionen ist jedoch keine leichte Aufgabe. Wenn Antibiotika nachlässig und übermässig verschrieben werden, führt dies zur raschen Entstehung und Verbreitung von antibiotikaresistenten Genen in den Bakterien – und damit zu einem noch grösseren Problem. Nach Angaben der Centers for Disease Control and Prevention kommt es in den USA jedes Jahr zu 2,8 Millionen antibiotikaresistenten Infektionen, an denen mehr als 35.000 Menschen sterben.

Ein Faktor, der den Kampf gegen antibiotikaresistente Bakterien verlangsamt, ist die Zeit, die benötigt wird, um auf sie zu testen. Die konventionelle Methode verwendet extrahierte Bakterien von einem Patienten und vergleicht Laborkulturen, die mit und ohne Antibiotika angebaut wurden, aber die Ergebnisse können ein bis zwei Tage dauern, was die Sterblichkeitsrate, die Dauer des Krankenhausaufenthalts und die Gesamtkosten der Behandlung erhöht.

Außerordentlicher Professor Seokheun “Sean” Choi – ein Fakultätsmitglied der Fakultät für Elektro- und Computertechnik am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science der Universität Binghamton – forscht an einem schnelleren Weg, Bakterien auf Antibiotikaresistenz zu testen.

“Um die Infektionen wirksam zu behandeln, müssen wir die richtigen Antibiotika mit der genauen Dosis für die entsprechende Dauer auswählen”, sagte er. “Es ist notwendig, eine Testmethode für die Antibiotika-Empfindlichkeit zu entwickeln und wirksame Richtlinien zur Behandlung dieser Infektionen anzubieten”.

In den letzten Jahren hat Choi mehrere Projekte entwickelt, die die “Papertronics” mit der Biologie kreuzen, wie z.B. eines, bei dem Biobatterien unter Verwendung von menschlichem Schweiß entwickelt wurden.

Diese neue Forschung mit dem Titel “Eine einfache, kostengünstige und schnelle Methode zur Beurteilung der Wirksamkeit von Antibiotika gegen exoelektrogene Bakterien”, die in der November-Ausgabe der Zeitschrift Biosensors and Bioelectronics veröffentlicht wurde, beruht auf denselben Prinzipien wie die Batterien: Bakterieller Elektronentransfer, ein chemischer Prozess, den bestimmte Mikroorganismen für das Wachstum, die allgemeine Zellerhaltung und den Informationsaustausch mit umgebenden Mikroorganismen nutzen.

“Wir nutzen dieses biochemische Ereignis für eine neue Technik, um die Wirksamkeit von Antibiotika gegen Bakterien zu bewerten, ohne das gesamte Bakterienwachstum zu überwachen”, sagte Choi. “Soweit ich weiß, sind wir die ersten, die diese Technik schnell und im Hochdurchsatz demonstrieren, indem wir Papier als Substrat verwenden.

In Zusammenarbeit mit den Doktoranden Yang Gao (der im Mai seinen Abschluss machte und jetzt als Postdoktorand an der Universität von Texas in Austin arbeitet), Jihyun Ryu und Lin Liu entwickelte Choi ein Testgerät, das den extrazellulären Elektronentransfer der Bakterien kontinuierlich überwacht.

Ein medizinisches Team entnahm einem Patienten eine Probe, beimpfte die Bakterien über einige Stunden mit verschiedenen Antibiotika und maß dann die Elektronenübertragungsrate. Eine geringere Rate würde bedeuten, dass die Antibiotika wirksam sind.

“Die Hypothese ist, dass die antivirale Exposition eine ausreichende Hemmung des bakteriellen Elektronentransfers bewirken könnte, so dass die Anzeige des Geräts empfindlich genug wäre, um kleine Schwankungen in der elektrischen Leistung zu zeigen, die durch Veränderungen in der Antibiotika-Wirksamkeit verursacht werden”, sagte Choi.

Das Gerät könnte in nur fünf Stunden Ergebnisse über Antibiotikaresistenzen liefern, was als wichtiges diagnostisches Hilfsmittel am Behandlungsort dienen würde, insbesondere in Gebieten mit begrenzten Ressourcen.

Der Prototyp – der zum Teil mit finanzieller Unterstützung der National Science Foundation und des U.S. Office of Naval Research gebaut wurde – hat acht Sensoren auf seiner Papieroberfläche aufgedruckt, aber das Gerät könnte auf 64 oder 96 Sensoren erweitert werden, wenn Mediziner andere Tests in das Gerät einbauen wollten.

Aufbauend auf dieser Forschung weiß Choi bereits, wohin er und seine Studenten als nächstes gehen möchten: “Obwohl viele Bakterien Energie produzieren, führen einige Krankheitserreger keinen extrazellulären Elektronentransfer durch und werden möglicherweise nicht direkt in unserer Plattform eingesetzt. Verschiedene chemische Verbindungen können jedoch den Elektronentransfer von nicht-stromproduzierenden Bakterien unterstützen.

“Beispielsweise können E. coli keine Elektronen vom Inneren der Zelle nach außen übertragen, aber mit der Zugabe einiger chemischer Verbindungen können sie Elektrizität erzeugen. Jetzt arbeiten wir daran, wie wir diese Technik allgemein für alle Bakterienzellen nutzbar machen können.

Referenz: “Eine einfache, kostengünstige und schnelle Methode zur Beurteilung der Wirksamkeit von Antibiotika gegen exoelektrogene Bakterien” von lYang Gao, Jihyun Ryu, Lin Liu und Seokheun Choi, 20. August 2020, Biosensoren und Bioelektronik.
DOI: 10.1016/j.bios.2020.112518.

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