Un dispositivo diagnostico portatile che gli investigatori del Massachusetts General Hospital (MGH) hanno sviluppato per la prima volta per diagnosticare il cancro è stato adattato per diagnosticare rapidamente la tubercolosi (TB) e altri importanti batteri infettivi. Due articoli apparsi sui giornali Comunicazioni sulla natura e Nanotecnologia della natura descrivono dispositivi portatili che combinano la tecnologia microfluidica con la risonanza magnetica nucleare (NMR) non solo per diagnosticare queste importanti infezioni, ma anche per determinare la presenza di ceppi batterici resistenti agli antibiotici.

"Identificare rapidamente l'agente patogeno responsabile di un'infezione e testare la presenza di resistenza sono fondamentali non solo per la diagnosi ma anche per decidere quali antibiotici somministrare a un paziente, "dice Ralph Weissleder, dottore, dottorato di ricerca, direttore del MGH Center for Systems Biology (CSB) e co-autore senior di entrambi i documenti. "Questi metodi descritti ci consentono di farlo in due o tre ore, un grande miglioramento rispetto alla pratica colturale standard, che possono richiedere fino a due settimane per fornire una diagnosi".

I ricercatori dell'MGH CSB hanno precedentemente sviluppato dispositivi portatili in grado di rilevare biomarcatori del cancro nel sangue o in campioni di tessuto molto piccoli. Le cellule o le molecole bersaglio vengono prima etichettate con nanoparticelle magnetiche, e il campione viene quindi fatto passare attraverso un sistema micro NMR in grado di rilevare e quantificare i livelli del target. Ma gli sforzi iniziali per adattare il sistema alla diagnosi batterica hanno avuto difficoltà a trovare anticorpi - il metodo di rilevamento utilizzato negli studi precedenti - che avrebbero rilevato con precisione i batteri specifici. Invece il team è passato a prendere di mira specifiche sequenze di acidi nucleici.

Il sistema descritto nel Comunicazioni sulla natura carta, pubblicato il 23 aprile rileva il DNA dei batteri della tubercolosi in piccoli campioni di espettorato. Dopo aver estratto il DNA dal campione, qualsiasi sequenza bersaglio presente viene amplificata utilizzando una procedura standard, quindi catturati da perline polimeriche contenenti sequenze di acidi nucleici complementari ed etichettati con nanoparticelle magnetiche con sequenze che si legano ad altre porzioni del DNA bersaglio. La bobina NMR in miniatura incorporata nel dispositivo, che ha le dimensioni di un vetrino da laboratorio standard, rileva qualsiasi DNA batterico della tubercolosi presente nel campione.

I test del dispositivo su campioni di pazienti noti per avere la tubercolosi e di controlli sani hanno identificato tutti i campioni positivi senza falsi positivi in ​​meno di tre ore. Le procedure diagnostiche esistenti possono richiedere settimane per fornire risultati e possono perdere fino al 40% dei pazienti infetti. I risultati sono stati ancora migliori per i pazienti infetti sia da TB che da HIV, probabilmente perché l'infezione con entrambi i patogeni porta ad alti livelli di batteri della TB, e sonde di acido nucleico specializzate sviluppate dal team di ricerca sono state in grado di distinguere i ceppi batterici resistenti al trattamento.

Il Nanotecnologia della natura carta, in uscita oggi online, descrive un sistema simile che utilizza l'RNA ribosomiale (rRNA) – già in uso come biomarcatore batterico – come bersaglio per l'etichettatura delle nanoparticelle. I ricercatori hanno sviluppato sia una sonda di acido nucleico universale che rileva una regione di rRNA comune a molte specie batteriche, sia una serie di sonde che prendono di mira sequenze specifiche di 13 patogeni clinicamente importanti, Compreso Streptococcus pneumoniae , Escherichia coli e resistente alla meticillina Staphylococcus aureus (MRSA).

Il dispositivo era sufficientemente sensibile da rilevare solo uno o due batteri in un campione di sangue da 10 ml e stimare con precisione la carica batterica. Il test del sistema su campioni di sangue di pazienti con infezioni note ha identificato con precisione la particolare specie batterica in meno di due ore e ha anche rilevato due specie che non erano state identificate con tecniche di coltura standard.

Sebbene entrambi i sistemi richiedano un ulteriore sviluppo per incorporare tutti i passaggi in sistemi sigillati, dispositivi autonomi, ridurre il rischio di contaminazione, Weissleder osserva che le dimensioni ridotte e la facilità d'uso di questi dispositivi li rendono ideali per l'uso nei paesi in via di sviluppo. "Le interazioni magnetiche su cui si basa il rilevamento dei patogeni sono molto affidabili, indipendentemente dalla qualità del campione, il che significa che un'ampia purificazione – che sarebbe difficile in un ambiente con risorse limitate – non è necessaria. La capacità di diagnosticare la tubercolosi in poche ore potrebbe consentire test e decisioni terapeutiche all'interno della stessa visita clinica, che può essere cruciale per controllare la diffusione della tubercolosi nei paesi in via di sviluppo".

Hakho Lee, dottorato di ricerca, del MGH Center for Systems Biology. co-autore senior di entrambi gli articoli, rileva che il sistema avrà importanti applicazioni anche nei paesi sviluppati. "La capacità del sistema non solo di identificare le specie batteriche ma anche di differenziare fattori come la resistenza agli antibiotici aiuterà i medici a trattare i pazienti con i farmaci "giusti" fin dall'inizio, che aiuta anche a ridurre la comparsa di ceppi resistenti al trattamento. Il fatto che questo dispositivo richieda solo una piccola goccia del campione per essere testato sarà utile nei casi in cui i campioni possono essere difficili da ottenere, come curare bambini o anziani”.