Механический тест для быстрого определения антибиотикорезистентности у бактерий

Традиционно устойчивость к антибиотикам оценивают по скорости роста бактерий в культуральной среде с добавлением лекарственных препаратов, что занимает от 24 до 48 часов. Однако в ряде случаев необходимо принимать срочные решения для лечения бактериального заражения.

Группа исследователей из Университета Йорка сконструировала микрофлюидный чип, в котором по микроканалам свободно протекает суспензия бактерий. Объектом исследования выбрали подвижные и неподвижные штаммы кишечной палочки E.coli, то есть имеющие жгутики или нет. В предыдущих работах было показано, что под воздействием антибиотиков происходит изменение морфологии (формы) и подвижности бактерий. Были предложены и методы определения антибиотикорезистентности на основе этих сигнатур. Однако различные антибиотики оказывают различное действие на каждый из параметров, поэтому определение только подвижности или только формы не всегда позволяет отличить устойчивый штамм от чувствительного.

В новой работе исследователи предложили комбинированный тест на одном чипе. По микроканалам бактерии с током культуральной среды попадали в индивидуальные микроловушки, сконструированные под размер бактериальной клетки. Под микроскопом с помощью компьютерной программы измеряли три параметра: эффективность попадания в ловушки, подвижность внутри ловушки, форму бактерий (удлиненные клетки задерживаются внутри ловушек на более длительное время). После начала эксперимента в среду добавляли один из трех антибиотиков с различными механизмами действия —  канамицин, ампициллин или триметоприм.

Было показано, что метод хорошо дифференцирует устойчивые и чувствительные штаммы во всех трех случаях. Среднее время определения чувствительности составило всего полтора часа. Полученные данные были валидированы и соответствовали данным «золотого стандарта» в определении антибиотикорезистентности.

Основным ограничением данного метода является работа на подвижных штаммах. Эффективность улавливания неподвижных видов бактерий довольно низкая, что накладывает ограничения на возможности анализа. Тем не менее, большое количество инфекций вызывают подвижные виды бактерий.

Особенностью метода было наблюдение под микроскопом за уникальным поведением сотен бактерий и суммирование полученных данных для группы уже на конечном этапе анализа. Джампаоло Питруззелло, аспирант физического факультета и автор исследования, отметил: «Оценивая бактерии как единую гомогенную группу, можно сделать неверные предположения об их свойствах, что может привести к увеличению сроков назначения и продолжительности лечения».

Профессор факультета физики Йоркского университета Томас Краусс, возглавлявший исследовательскую группу, сообщил: «Этот метод позволит практикующим врачам персонифицированно назначать эффективные антибиотики на ранних стадиях инфекции, что приведет к одновременному улучшению результатов лечения и снижению общего уровня использование антибиотиков».

Следующим этапом работы планируется проверка метода на клинических образцах.

Также ученые отмечают, что в более широком смысле, их анализ представляет собой уникальную платформу, способную локализовать сотни единичных клеток бактерий для их параллельного изучения и мониторинга поведения во времени.