Mogućnost brze identifikacije bakterija rezistentnih na antibiotike može igrati značajnu ulogu u rešavanju globalne antibiotske krize olakšavanjem ciljane i blagovremene primene farmaceutskih lekova. Trenutno, proces dijagnostike bakterijske infekcije traje do tri dana, što dovodi do manje efikasnog lečenja antibiotikom.
U novom izveštaju koji je sada objavljen u Communications Engineering, Ann V. Nguien i istraživački tim na Univerzitetu Cornell, Njujork, izvestili su o razvoju mikrofluidnog sistema sa dizajnom u obliku merdevina za generisanje dvostrukog serijskog razblaživanja antibiotika, Pogodan za nacionalne i međunarodne standarde testiranja. Proces dizajna i primene omogućio im je da smanje vremenski okvir za testiranje osetljivosti na antibiotike na oko 4-5 sati. Rezultati istraživanja bili su u skladu sa komercijalno dostupnim kompletima kako bi se obezbedio prilagodljiv i efikasan dijagnostički alat za testiranje osetljivosti na antibiotike.
Efekti rezistencije na antibiotike su širom sveta i zaslužni su za prekomernu upotrebu antibiotika u humanoj i veterinarskoj medicini, a povezani su sa nedostacima u rukovanju životinjama. Istraživači su primetili da je uzrok tome prepisani antibiotici, nedostatak brzih laboratorijskih testova i cirkulacija antibiotika na recept koji su samo marginalno efikasni. Kapacitet razvoja i upotrebe brzih dijagnostičkih testova može da identifikuje i karakteriše rezistentne bakterije za borbu protiv rezistencije na antibiotike. Postojeći radni tok dijagnostikovanja antibakterijske infekcije obično traje do 2-3 dana, tokom kojih pacijent prolazi kroz izolaciju, osetljivost i identifikaciju.
Dok proces počinje prikupljanjem uzoraka, biohemičari mogu da identifikuju infektivni agens u zavisnosti od karakteristika patogena, u procesu koji traje do dva dana u kliničkoj mikrobiološkoj laboratoriji. Istraživači mogu da izoluju bakterije da bi sproveli testove osetljivosti na antibiotike koji traju još 16-20 sati, što rezultira nedostatkom blagovremenog prikupljanja informacija o antibakterijskoj rezistenciji.
Bioinženjeri su stoga razvili mikrofluidne platforme kao metod za poboljšanje osetljivosti i brzine testiranja osetljivosti na antibiotike. U ovom radu, Nguien i tim su dizajnirali i razvili mikrofluidni sistem sa optimizovanom mrežom nalik merdevinama za kombinovanje i distribuciju medijuma za kulturu i antibiotika u dvostrukom serijskom razblaženju. Proučili su performanse platforme za sprovođenje testiranja na antibiotike i razvili prilagodljiv, dijagnostički instrument. Podešavanje je uključivalo mikrofluidnu platformu za testiranje osetljivosti na antibiotike, koja je kombinovala metode zasnovane na nanolitrskim mikrokomorama sa generatorom gradijenta koncentracije nalik na merdevine.
Kombinacija im je obezbedila standardni i podesivi profil koncentracije antibiotika kako bi se brzo identifikovala fenotipska antibakterijska osetljivost. Istraživači su kreirali platformu tako što su ugradili PDMS sloj vezan za konvencionalne staklene pločice, kako bi im omogućili da testiraju jednu kombinaciju antibiotika/bakterije po uređaju. Svaki uređaj je služio kao bioreaktori za inkubaciju bakterija sa antibioticima tokom eksperimenata.
Uređaj je imao tri otvora, uključujući ulaz za lek, negativni ulaz i izlaz za stvaranje strukture nalik na merdevine. Tim je dodao antibiotike i medijume za kulturu u uređaj iz suprotnih pravaca da bi razblažio antibiotike dok su se kretali kroz sistem od ulaza leka, kroz zmijoliku površinu da bi razblažili rastvor i pomešali ga sa bakterijama pri određenim brzinama protoka. Da bi identifikovali specifičnu brzinu protoka, bioinženjeri su izračunali potrebne otpore i koristili računarske simulacije dinamike fluida da bi generisali veći opseg razblaženja. Zatim su istražili princip delovanja mikrofluidnog sistema sa već postojećim protokolom.
Tim je koristio Mueller Hinton bujon prilagođen katjonima sa PrestoBlue indikatorom metabolizma ćelija u podešavanju. Zatim su ubacili bakterijsku suspenziju u uređaj špricem, a zatim rastvorom antibiotika da bi se stvorila mreža glavnog kanala. Ispitivali su performanse merdevina mikrofluidnih sistema kako bi odredili minimalnu inhibitornu koncentraciju antimikrobnih supstanci na platformi i ispitivali bakterijske izolate dobijene sa životinjskih modela. Instrument je obezbedio okvir za posmatranje različitih patogena uključujući Escherichia coli i Staphilococcus pseudintermedius. Ukupno, bioinženjeri su testirali 206 bakterijskih uzoraka na mikrofluidnoj platformi za sortiranje ćelija.
Koristeći instrumente, tim je ispitao mogućnost zaobilaženja koraka izolacije bakterija da bi sproveo testiranje osetljivosti na antibiotike sa uzorcima urina. To su postigli sa uzorcima urina koji su bili pozitivni u kulturi na prisustvo jedne nepoznate bakterije. Tim je odredio kapacitet za minimalnu inhibitornu koncentraciju iz pratećih kliničkih uzoraka za 4-5 sati.
Na ovaj način, Ann V. Nguien i kolege su dizajnirali i optimizovali mikrofluidni sistem za obavljanje fenotipskog testiranja osetljivosti na antibiotike kako bi izolovali bakterije sa ploča za kulturu ili direktno iz uzoraka urina. Instrument je zadržao arhitekturu u obliku merdevina da bi stvorio dvostruki gradijent koncentracije, koji je pratio postojeće metode standardizacije uz klinički relevantne antibiotike i kombinacije lekova. Tim je sproveo punjenje bakterijama, antibiotikom i uljem na instrumentu i uključio logiku kola po prvi put u studiju, kako bi se stvorio gradijent koncentracije mikrofluidika. Istraživači planiraju da koriste metod kako bi olakšali brzo testiranje osetljivosti na antibiotike kako bi poboljšali ishode pacijenata i pojednostavili radni tok kliničke laboratorije u kratkom vremenskom roku.
Tim takođe predviđa integraciju dodatnih funkcija u mikrofluidni instrument merdevine, uključujući kapacitet automatskog učitavanja i rukovanje uzorkom unutar merdevine čipa za analizu slike u realnom vremenu sa poboljšanom preciznošću.
