Een techniek die de metabolische activiteit van bacteriën meet met een elektrische sonde, kan antibioticaresistentie in minder dan 90 minuten identificeren, een dramatische verbetering ten opzichte van de één tot twee dagen die nodig zijn voor de huidige technieken.
Deze ontdekking betekent dat artsen snel kunnen weten welke antibiotica wel of niet zullen werken voor de levensbedreigende infectie van een patiënt, een dilemma waarmee artsen in ziekenhuizen over de hele wereld dagelijks worden geconfronteerd. Een onderzoeksteam van de Washington State University rapporteert over hun werk in het tijdschrift Biosensors and Bioelectronics.
“Het idee hier is om de artsen veel sneller resultaten te geven, zodat ze klinisch geschikte beslissingen kunnen nemen binnen het tijdsbestek dat ze aan het werk zijn, in plaats van te moeten wachten”, zegt Douglas Call, Regents Professor aan de Paul G. Allen School voor Global Health en een co-auteur van het papier. “In plaats van te zoeken naar groei van een cultuur, zoeken we naar metabolisme, en dat is eigenlijk wat we detecteren door de beweging van deze elektronen, zodat het in veel kortere tijdspannen kan gebeuren in vergelijking met een conventionele op kweek gebaseerde test.”
De prevalentie van antibioticaresistentie neemt wereldwijd toe en bedreigt het vermogen om veel voorkomende infectieziekten te behandelen. Zo worden jaarlijks miljoenen mensen in de VS besmet met resistente ziekteverwekkers en sterven duizenden mensen aan longontsteking of bloedbaaninfecties die onmogelijk te behandelen zijn.
Om definitief te bepalen of een bepaalde infectie resistent is tegen antibiotica, moeten de bacteriën worden gescheiden en vervolgens in een laboratorium worden gekweekt en moet de bevolking groeien in een proces dat tot twee dagen of langer kan duren. Artsen die met een zieke patiënt worden geconfronteerd, moeten vaak direct een antibioticum voorschrijven zonder volledige informatie te hebben over hoe goed het zal werken.
In hun paper gebruikte het WSU-team een sonde om het elektrochemische signaal van de bacteriën direct te meten, en zo hun metabolisme en ademhaling te meten en te leren hoe het met ze gaat lang voordat ze zichtbaar zouden zijn in cultuur. Door naar acht verschillende bacteriestammen te kijken, konden de onderzoekers het elektrische signaal van de bacterie gebruiken om in minder dan 90 minuten te bepalen welke gevoelig of resistent waren tegen de antibiotica.
De bacteriën die na behandeling met antibiotica nog steeds metaboliseren en “ademen”, worden als resistent beschouwd.
Eerdere pogingen om de elektrochemische activiteit van bacteriën te meten waren beperkt omdat de meeste bacteriesoorten niet in staat zijn om elektronen rechtstreeks naar een elektrode over te dragen, zei Abdelrhman Mohamed, een postdoctoraal onderzoeker aan de Gene en Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering die een leidende rol had auteur op papier. De onderzoekers voegden een chemische bemiddelaar toe aan hun test, die als een shuttle fungeerde, de elektronen van de oppervlakte-eiwitten van de bacteriën nam en ze naar de elektrode van de onderzoekers verplaatste, waar het elektrische signaal kan worden gemeten.
“Dat stelt ons in staat om een universeel mechanisme te hebben dat alle soorten ziekteverwekkers kan testen”, zei Mohamed.
De onderzoekers testten vier verschillende bacteriesoorten die ziekenhuisinfecties veroorzaken en testten verschillende antibiotica die via verschillende mechanismen werken. Ze ontwikkelden ook een gevoeligheidsindex voor antibiotica om de resultaten te categoriseren op een manier die artsen zou kunnen helpen beslissen welk antibioticum ze moeten gebruiken.
De onderzoekers zijn nu van plan om hun sonde zo te ontwerpen dat deze gemakkelijk en gestandaardiseerd is voor clinici om te gebruiken en hopen deze te commercialiseren.
“Het is echt opwindend om betrokken te zijn bij een project dat niet alleen waardevol is vanuit een wetenschappelijk oogpunt, maar ook iets is met commerciële en industriële toepassingen die mogelijk op een dag het leven van mensen daadwerkelijk kunnen verbeteren”, zegt Gretchen Tibbits, hoofdauteur van de krant en afgestudeerd leerling van de Voilandschool.
Ze werken ook aan een beter begrip van de fundamentele mechanismen van het elektrochemische proces om het verder te verbeteren.
“We doen het in twee uur, maar als we de mechanismen beter begrijpen, kunnen we dit misschien in enkele minuten doen”, zegt Haluk Beyenal, co-auteur van de krant en een professor aan de Voiland School. “Zolang de bacteriën leven, kunnen we deze meting doen.”