I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno dimostrato una potenziale nuova tattica per determinare rapidamente se un antibiotico combatte una determinata infezione, accelerando così un trattamento medico efficace e limitando lo sviluppo di batteri resistenti ai farmaci. Il loro metodo può rilevare rapidamente le fluttuazioni meccaniche delle cellule batteriche e qualsiasi cambiamento indotto da un antibiotico.

Descritto in Rapporti scientifici , Il prototipo di sensore del NIST fornisce risultati in meno di un'ora, molto più veloce dei test antimicrobici convenzionali, che in genere richiedono giorni per far crescere colonie di cellule batteriche. I risultati ritardati dei test convenzionali consentono alle infezioni pericolose di progredire prima che possano essere trovati trattamenti efficaci e forniscono una finestra temporale per i batteri per sviluppare resistenza ai farmaci.

Gli antibiotici prescritti in modo improprio e i batteri resistenti agli antibiotici rappresentano una grave minaccia per la salute pubblica. Almeno 2 milioni di malattie e 23, 000 decessi sono attribuiti a infezioni batteriche resistenti agli antibiotici ogni anno negli Stati Uniti, secondo un rapporto del 2013 dei Centers for Disease Control and Prevention.

Una soluzione potrebbe essere il nuovo approccio di rilevamento del NIST, basato su un risonatore quarzo-cristallo le cui vibrazioni variano in modo misurabile al variare delle particelle sulla superficie. L'approccio, che coinvolge le cellule batteriche aderite a un risonatore, rappresenta un nuovo modo di utilizzare questi cristalli supersensibili, che i ricercatori del NIST hanno precedentemente dimostrato per applicazioni come la misurazione della purezza dei nanotubi di carbonio.

La nuova tecnica NIST rileva il movimento meccanico dei microbi e la loro risposta agli antibiotici. Altri ricercatori hanno precedentemente scoperto che alcuni movimenti batterici si indeboliscono in presenza di alcuni antibiotici, ma fino ad ora tali cambiamenti sono stati rilevati solo con sensori a microscala e generalmente in batteri mobili (spinti da appendici filiformi chiamate flagelli). Il metodo NIST può essere più utile in ambito clinico perché raccoglie dati elettronici in modo conveniente e, poiché rileva grandi colonie batteriche, può essere macroscopico e robusto.

Il sensore è piezoelettrico, il che significa che le sue dimensioni cambiano quando esposto a un campo elettrico. Un sottile disco piezoelettrico di quarzo è inserito tra due elettrodi. Una tensione alternata a una frequenza stabile vicino alla frequenza di risonanza del cristallo viene applicata a un elettrodo per eccitare le vibrazioni del cristallo. Da un altro elettrodo sul lato opposto del cristallo, i ricercatori registrano le tensioni oscillanti della risposta del cristallo, un segnale che mostra fluttuazioni nella frequenza di risonanza (o rumore di frequenza) derivanti dall'attività meccanica microbica accoppiata alla superficie del cristallo.

I test di prova del concetto al NIST hanno utilizzato due risonatori a cristalli di quarzo rivestiti con diversi milioni di cellule batteriche. Un risonatore è stato utilizzato per testare l'effetto di un antibiotico sulle cellule, mentre il secondo risonatore è stato utilizzato come controllo senza l'antibiotico.

L'approccio ultrasensibile ha consentito il rilevamento delle fluttuazioni di frequenza generate dalle cellule a un livello inferiore a una parte su 10 miliardi. Gli esperimenti hanno mostrato che la quantità di rumore di frequenza era correlata con la densità delle cellule batteriche viventi. Quando i batteri sono stati poi esposti agli antibiotici, il rumore di frequenza è nettamente diminuito. Negli esperimenti sono stati utilizzati batteri con flagelli paralizzati per eliminare gli effetti del movimento del nuoto. Ciò ha permesso ai ricercatori di concludere che le fluttuazioni di frequenza generate dalle cellule rilevate derivano dalle vibrazioni delle pareti cellulari.

I ricercatori del NIST hanno percepito la risposta di Escherichia coli ( E. coli ) a due antibiotici, polimixina B (PMB) e ampicillina. Il rumore di frequenza generato dalle celle è sceso vicino allo zero entro 7 minuti dall'introduzione del PMB. Il rumore di frequenza ha iniziato a diminuire entro 15 minuti dall'aggiunta di ampicillina e poi è diminuito più rapidamente quando le cellule si sono disgregate e sono morte. Queste scale temporali riflettono le normali velocità con cui questi antibiotici funzionano.

Dopo le misurazioni del sensore, l'efficacia degli antibiotici è stata confermata dalla crescita di colonie dai batteri rimanenti. Entrambi gli antibiotici hanno notevolmente ridotto il numero di cellule vive.

Per determinare quanto possa essere ampiamente utile la tecnica, saranno necessari ulteriori studi utilizzando una serie di specie batteriche e antibiotici che funzionano in modi diversi. I ricercatori del NIST hanno ottenuto un brevetto sulla tecnica:RISONATORE E PROCESSO PER L'ESECUZIONE DI SAGGIO BIOLOGICO, Brevetto degli Stati Uniti n. 9, 725, 752, emesso l'8 agosto 2017.