Das Vorhandensein lebensfähiger Bakterien im Blut (Bakteriämie) kann bei unsachgemäßer Kontrolle zu einer Blutkreislaufinfektion (BSI) und Sepsis, einer syndromalen Entzündungsreaktion, führen.
Eine schnelle und genaue Verschreibung antimikrobieller Mittel ist entscheidend, um die Sterblichkeit von BSI-Patienten deutlich zu senken. Der herkömmliche antimikrobielle Empfindlichkeitstest (AST) für BSI ist jedoch zeitaufwändig und langwierig, was dazu führt, dass sich Ärzte bei der Behandlung in erster Linie auf die Erfahrung verlassen.
Forscher der Shandong-Universität, des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und des Affiliated Hospital der Qingdao University haben einen integrierten Mikrofluidik-Chip (BSI-AST-Chip) für schnelle AST aus positiven Blutkulturen entwickelt (PBCs) und der gesamte Prozess von der Bakterienextraktion bis zur Ausgabe des AST-Ergebnisses dauerte weniger als 3,5 Stunden. Es verspricht, ein leistungsstarkes neues Instrument zur Beschleunigung der AST bei Blutkreislaufinfektionen zu sein.
Die Studie wurde veröffentlicht in Analytische Chemie am 14. September.
„Herkömmliche AST-Methoden benötigen derzeit mindestens zwei Tage, um nach einer positiven Blutkultur Ergebnisse zu liefern. Die Verzögerung der Diagnose zwingt zur Verabreichung empirischer Antibiotika, was zu einer Verschlimmerung des Zustands des Patienten führt und die Entstehung von Antibiotikaresistenzen begünstigt“, sagte Prof. Ma Bo vom Single-Cell Center bei QIBEBT, Co-Autor der Studie. „Daher besteht ein dringender Bedarf an neuen Technologien, die genaue und zeitnahe Diagnosen und Arzneimittelempfindlichkeitstests ermöglichen können.“
In dieser Studie entwickelten die Forscher einen BSI-AST-Chip, der in der Lage ist, Bakterien innerhalb von 10 Minuten direkt aus PBCs zu extrahieren und innerhalb von drei Stunden schnelle AST-Ergebnisse zu liefern.
In einer Proof-of-Concept-Studie demonstrierte der BSI-AST-Chip seine Wirksamkeit, indem er eine direkte AST an künstlichen PBCs mit E. coli durchführte und gegen 18 Antibiotika testete. Der gesamte Prozess, von der Bakterienextraktion bis zur Ausgabe des AST-Ergebnisses, dauerte weniger als 3,5 Stunden.
Darüber hinaus wurde der integrierte Chip zur Diagnose klinischer PBCs eingesetzt und zeigte eine kategorische Übereinstimmung von 93,3 % mit Standardmethoden in der Klinik. Die zuverlässigen und schnellen AST-Ergebnisse des integrierten Chips unterstreichen sein großes Potenzial in der klinischen Diagnose.
„In früheren Studien wurden mikrofluidische Geräte hauptsächlich für die Reinigung und Konzentration lebensfähiger Mikroorganismen aus Subkulturen oder Urinproben mit einfacher Zusammensetzung entwickelt“, sagte Zhu Meijia, Doktorand an der Shandong-Universität und Erstautor der Studie. „Der praktische Einsatz dieser Geräte war aufgrund des Fehlens komplexer Probenvorbereitungsprozesse auf dem Chip mit erheblichen Herausforderungen verbunden.“
„Der BSI-AST-Chip wurde für die direkte AST aus PBCs ohne die Notwendigkeit einer Subkultur entwickelt und stellt einen bedeutenden Fortschritt dar“, erklärte Xu Teng, wissenschaftlicher Mitarbeiter und beitragender Autor vom Single-Cell Center bei QIBEBT.
Durch die erstmalige Einführung eines Trenngels in den Mikrofluidik-Chip erreichten die Forscher eine schnelle Extraktion und Anreicherung von Bakterien aus PBCs. In Kombination mit der zentrifugalen mikrofluidischen Anreicherungstechnologie könnten AST-Ergebnisse nun in weniger als 3,5 Stunden direkt aus PBCs erhalten werden. Darüber hinaus würde der Nachweis der Multiplex-Analysefähigkeit des Chips durch Antibiotika-Trocknung und Array-Parallelisierung Klinikern dabei helfen, eine wirksame Antibiotikatherapie für BSI-Patienten umgehend zu bestätigen oder zu optimieren.
Laut Prof.
„Schnelle AST in der Blutkultur sind für Patienten mit klinischer Sepsis von Bedeutung und haben das Potenzial, Leben zu retten“, betonte Prof. Cheng Yongqiang, korrespondierender Autor von der Shandong-Universität. „Erforschung und Forschung auf diesem Gebiet sollen die diagnostischen Möglichkeiten verbessern und wertvolle Leitlinien für die Behandlung von Infektionskrankheiten in Laborumgebungen liefern und so die ernsthafte Bedrohung der Menschheit durch mikrobielle Resistenz wirksam bekämpfen.“
Mehr Informationen:
Meijia Zhu et al., Integrierter Mikrofluidik-Chip für schnelle antimikrobielle Empfindlichkeitstests direkt aus positiven Blutkulturen, Analytische Chemie (2023). DOI: 10.1021/acs.analchem.3c02737