Le infezioni batteriche sono diventate uno dei maggiori problemi di salute in tutto il mondo, e un recente studio mostra che i pazienti COVID-19 hanno una probabilità molto maggiore di contrarre infezioni batteriche secondarie, che aumenta notevolmente il tasso di mortalità.

Combattere i contagi non è un compito facile, anche se. Quando gli antibiotici vengono prescritti in modo incauto ed eccessivo, che porta alla rapida comparsa e diffusione di geni resistenti agli antibiotici nei batteri, creando un problema ancora più grande. Secondo i Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie, Ogni anno negli Stati Uniti si verificano 2,8 milioni di infezioni resistenti agli antibiotici, e più di 35, 000 persone muoiono di loro.

Un fattore che rallenta la lotta contro i batteri resistenti agli antibiotici è la quantità di tempo necessaria per testarlo. Il metodo convenzionale utilizza batteri estratti da un paziente e confronta colture di laboratorio coltivate con e senza antibiotici, ma i risultati possono richiedere uno o due giorni, aumento del tasso di mortalità, la durata della degenza ospedaliera e il costo complessivo delle cure.

Il Professore Associato Seokheun "Sean" Choi, un membro di facoltà del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science della Binghamton University, sta ricercando un modo più rapido per testare i batteri per la resistenza agli antibiotici.

"Per curare efficacemente le infezioni, dobbiamo selezionare gli antibiotici giusti con la dose esatta per la durata appropriata, " ha detto. "C'è la necessità di sviluppare un metodo di test di sensibilità agli antibiotici e offrire linee guida efficaci per il trattamento di queste infezioni".

Negli ultimi anni, Choi ha sviluppato diversi progetti che incrociano "papertronics" con la biologia, come quella che ha sviluppato biobatterie utilizzando il sudore umano.

Questa nuova ricerca, intitolata "Un semplice, poco costoso, e metodo rapido per valutare l'efficacia degli antibiotici contro i batteri esoelettrogeni" e pubblicato nel numero di novembre della rivista Biosensori e Bioelettronica —si basa sugli stessi principi delle batterie:trasferimento di elettroni batterico, un processo chimico che alcuni microrganismi utilizzano per la crescita, mantenimento complessivo delle cellule e scambio di informazioni con i microrganismi circostanti.

"Sfruttiamo questo evento biochimico per una nuova tecnica per valutare l'efficacia degli antibiotici contro i batteri senza monitorare l'intera crescita batterica, "Choi ha detto. "Per quanto ne so, siamo i primi a dimostrare questa tecnica in modo rapido e ad alta produttività utilizzando la carta come supporto."

Lavorare con Ph.D. gli studenti Yang Gao (che si è laureato a maggio e ora lavora come ricercatore post-dottorato presso l'Università del Texas ad Austin), Jihyun Ryu e Lin Liu, Choi ha sviluppato un dispositivo di test che monitora continuamente il trasferimento di elettroni extracellulari dei batteri.

Un'équipe medica estrae un campione da un paziente, inoculare i batteri con vari antibiotici per alcune ore e quindi misurare la velocità di trasferimento degli elettroni. Un tasso più basso significherebbe che gli antibiotici stanno funzionando.

"L'ipotesi è che l'esposizione antivirale possa causare un'inibizione sufficiente al trasferimento di elettroni batterico, quindi la lettura del dispositivo sarebbe abbastanza sensibile da mostrare piccole variazioni nella potenza elettrica causate da cambiamenti nell'efficacia dell'antibiotico, " disse Choi.

Il dispositivo potrebbe fornire risultati sulla resistenza agli antibiotici in sole cinque ore, che fungerebbe da importante strumento diagnostico point-of-care, soprattutto in aree con risorse limitate.

Il prototipo, costruito in parte con i finanziamenti della National Science Foundation e dell'Ufficio per la ricerca navale degli Stati Uniti, ha otto sensori stampati sulla superficie della carta, ma ciò potrebbe essere esteso a 64 o 96 sensori se i professionisti medici volessero integrare altri test nel dispositivo.

Basandosi su questa ricerca, Choi sa già dove lui e i suoi studenti vorrebbero andare dopo:"Anche se molti batteri producono energia, alcuni agenti patogeni non effettuano il trasferimento di elettroni extracellulari e potrebbero non essere utilizzati direttamente nella nostra piattaforma. Però, vari composti chimici possono favorire il trasferimento di elettroni da batteri non produttori di elettricità.

"Ad esempio, E. coli non può trasferire elettroni dall'interno della cellula verso l'esterno, ma con l'aggiunta di alcuni composti chimici, possono generare elettricità. Ora stiamo lavorando su come rendere questa tecnica generale per tutte le cellule batteriche".