Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado una nueva táctica potencial para determinar rápidamente si un antibiótico combate una infección determinada. acelerando así el tratamiento médico eficaz y limitando el desarrollo de bacterias resistentes a los fármacos. Su método puede detectar rápidamente las fluctuaciones mecánicas de las células bacterianas y cualquier cambio inducido por un antibiótico.

Descrito en Informes científicos , El sensor prototipo de NIST proporciona resultados en menos de una hora, mucho más rápido que las pruebas antimicrobianas convencionales, que normalmente requieren días para que crezcan colonias de células bacterianas. Los resultados tardíos de las pruebas convencionales permiten que las infecciones peligrosas progresen antes de que se puedan encontrar tratamientos efectivos y proporciona una ventana de tiempo para que las bacterias desarrollen resistencia a los medicamentos.

Los antibióticos prescritos incorrectamente y las bacterias resistentes a los antibióticos plantean graves amenazas para la salud pública. Al menos 2 millones de enfermedades y 23, 000 muertes se atribuyen a infecciones bacterianas resistentes a los antibióticos en los Estados Unidos cada año, según un informe de 2013 de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades.

Una solución puede ser el nuevo enfoque de detección del NIST, basado en un resonador de cristal de cuarzo cuyas vibraciones varían de manera mensurable cuando las partículas en la superficie cambian. El enfoque, que involucra células bacterianas adheridas a un resonador, representa una nueva forma de utilizar estos cristales súper sensibles, que los investigadores del NIST demostraron previamente para aplicaciones tales como medir la pureza de los nanotubos de carbono.

La nueva técnica NIST detecta el movimiento mecánico de los microbios y su respuesta a los antibióticos. Otros investigadores encontraron previamente que algunos movimientos bacterianos se debilitan en presencia de algunos antibióticos, pero hasta ahora tales cambios se han detectado solo con sensores a microescala y generalmente en bacterias móviles (impulsadas por apéndices filiformes llamados flagelos). El método NIST puede ser más útil en entornos clínicos porque recopila datos electrónicos de manera rentable y, ya que detecta grandes colonias de bacterias, Puede ser macroscópico y robusto.

El sensor es piezoeléctrico, lo que significa que sus dimensiones cambian cuando se expone a un campo eléctrico. Un delgado disco de cuarzo piezoeléctrico se intercala entre dos electrodos. Se aplica un voltaje alterno a una frecuencia estable cerca de la frecuencia de resonancia del cristal a un electrodo para excitar las vibraciones del cristal. De otro electrodo en el lado opuesto del cristal, los investigadores registran voltajes oscilantes de la respuesta del cristal, una señal que muestra fluctuaciones en la frecuencia de resonancia (o ruido de frecuencia) que surgen de la actividad mecánica microbiana acoplada a la superficie del cristal.

Las pruebas de prueba de concepto en NIST utilizaron dos resonadores de cristal de cuarzo recubiertos con varios millones de células bacterianas. Se usó un resonador para probar el efecto de un antibiótico en las células, mientras que el segundo resonador se utilizó como control sin el antibiótico.

El enfoque ultrasensible permitió la detección de fluctuaciones de frecuencia generadas por las células a un nivel de menos de una parte en 10 mil millones. Los experimentos mostraron que la cantidad de ruido de frecuencia se correlacionó con la densidad de las células bacterianas vivas. Cuando las bacterias fueron expuestas a antibióticos, el ruido de frecuencia disminuyó drásticamente. En los experimentos se utilizaron bacterias con flagelos paralizados para eliminar los efectos del movimiento de natación. Esto permitió a los investigadores concluir que las fluctuaciones de frecuencia generadas por las células detectadas surgen de las vibraciones de las paredes celulares.

Los investigadores del NIST sintieron la respuesta de Escherichia coli ( E. coli ) a dos antibióticos, polimixina B (PMB) y ampicilina. El ruido de frecuencia generado por la celda se redujo cerca de cero dentro de los 7 minutos posteriores a la introducción de PMB. El ruido de frecuencia comenzó a disminuir dentro de los 15 minutos posteriores a la adición de ampicilina y luego disminuyó más rápidamente a medida que las células se separaban y morían. Estas escalas de tiempo reflejan las velocidades normales a las que actúan estos antibióticos.

Después de las mediciones del sensor, la eficacia de los antibióticos se confirmó mediante el crecimiento de colonias de las bacterias restantes. Ambos antibióticos redujeron en gran medida la cantidad de células vivas.

Para determinar qué tan útil podría ser la técnica, Se necesitarán más estudios utilizando una serie de especies bacterianas y antibióticos que actúan de diferentes formas. Los investigadores del NIST han obtenido una patente sobre la técnica:RESONADOR Y PROCESO PARA REALIZAR ENSAYO BIOLÓGICO, Patente de los Estados Unidos No. 9, 725, 752, emitido el 8 de agosto de 2017.