Eine papierbasierte Plattform, die von Forschern des Indian Institute of Science (IISc) und des Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research (JNCASR) entwickelt wurde, könnte dabei helfen, das Vorhandensein antibiotikaresistenter, krankheitserregender Bakterien schnell zu erkennen.
Eine der größten Herausforderungen für die Menschheit ist die Entstehung krankheitsverursachender Bakterien, die gegen Antibiotika resistent sind. Ihre Entstehung wurde durch den Missbrauch und den übermäßigen Einsatz von Antibiotika vorangetrieben.
Eine Handvoll dieser Bakterien – darunter E. coli und Staphylococcus aureus – haben über eine Million Todesfälle verursacht, und diese Zahl wird laut Prognosen in den kommenden Jahren noch steigen Weltgesundheitsorganisation. Eine rechtzeitige Diagnose kann die Effizienz der Behandlung verbessern.
„Im Allgemeinen stellt der Arzt beim Patienten eine Diagnose und gibt ihm Medikamente. Der Patient nimmt es dann zwei bis drei Tage lang ein, bevor er merkt, dass das Medikament nicht wirkt, und geht erneut zum Arzt. Sogar die Diagnose, dass das Bakterium antibiotikaresistent ist, wird aus Blut oder … „Urintests brauchen Zeit. Wir wollten die Zeit bis zur Diagnose verkürzen“, sagt Uday Maitra, Professor an der Abteilung für Organische Chemie, IISc.
In einem Artikel veröffentlicht in ACS-Sensoren, Maitras Labor und seine Mitarbeiter haben sich dieser Herausforderung gestellt. Sie haben ein schnelles Diagnoseprotokoll entwickelt, das eine lumineszierende, papierbasierte Plattform verwendet, um das Vorhandensein antibiotikaresistenter Bakterien zu erkennen.
Es gibt verschiedene Wege, wie ein Bakterium gegen Antibiotika resistent wird. In einem Fall entwickelt sich das Bakterium und kann das Arzneimittel erkennen und aus seiner Zelle ausstoßen. In einem anderen Fall produziert das Bakterium ein Enzym namens β-Lactamase, das den β-Lactam-Ring – einen wichtigen Strukturbestandteil gängiger Antibiotika wie Penicillin und Carbapenem – hydrolysiert und das Medikament unwirksam macht.
Der vom IISc- und JNCASR-Team entwickelte Ansatz beinhaltet den Einbau von Biphenyl-4-carbonsäure (BCA) in eine supramolekulare Hydrogelmatrix, die Terbiumcholat (TbCh) enthält. Dieses Hydrogel emittiert normalerweise grüne Fluoreszenz, wenn es mit UV-Licht bestrahlt wird.
„Im Labor haben wir ein Enzymsubstrat synthetisiert, indem wir BCA an das zyklische Enzym gebunden haben [β-lactam] Ring, der Teil des Antibiotikums ist. Wenn man dies mit TbCh-Hydrogel mischt, gibt es keine grüne Emission, da der Sensibilisator „maskiert“ wird“, erklärt Arnab Dutta, Doktorand in der Abteilung für Organische Chemie, IISc, und Hauptautor der Arbeit.
„In Gegenwart des β-Lactamase-Enzyms erzeugt das Gel eine grüne Emission. Das β-Lactamase-Enzym in den Bakterien ist dasjenige, das das Medikament aufschneidet, zerstört und den Sensibilisator BCA entlarvt. Das Vorhandensein von β-Lactamase ist also der Fall.“ signalisiert durch grüne Emission.“
Die Lumineszenz signalisiert das Vorhandensein antibiotikaresistenter Bakterien und die Intensität der Lumineszenz zeigt die Bakterienbelastung an. Bei nicht resistenten Bakterien wurde festgestellt, dass die Grünintensität äußerst gering ist, was die Unterscheidung von resistenten Bakterien erleichtert.
Der nächste Schritt bestand darin, einen Weg zu finden, die Technologie kostengünstig zu machen. Derzeit verwendete Diagnoseinstrumente sind teuer, was die Kosten für Tests in die Höhe treibt.
Das Team arbeitete mit einem in Tamil Nadu ansässigen Unternehmen namens Adiuvo Diagnostics zusammen, um ein maßgeschneidertes, tragbares Miniatur-Bildgebungsgerät namens Illuminate Fluoreszenz Reader zu entwickeln. Durch die Infusion des Hydrogels in ein Blatt Papier als Medium konnten die Kosten erheblich gesenkt werden. Das Instrument ist mit verschiedenen LEDs ausgestattet, die je nach Bedarf UV-Strahlung ausstrahlen. Die grüne Fluoreszenz des Enzyms wird von einer eingebauten Kamera erfasst und eine spezielle Software-App misst die Intensität, was bei der Quantifizierung der Bakterienlast helfen kann.
Das Team vom IISc arbeitete mit der Forschungsgruppe von Jayanta Haldar vom JNCASR zusammen, um ihren Ansatz an Urinproben zu überprüfen. „Wir haben Proben von gesunden Freiwilligen verwendet und pathogene Bakterien hinzugefügt, um Harnwegsinfektionen nachzuahmen. Das Ergebnis war innerhalb von zwei Stunden erfolgreich“, erklärt Maitra.
Als nächsten Schritt planen die Forscher, mit Krankenhäusern zusammenzuarbeiten, um diese Technologie anhand von Patientenproben zu testen.
Mehr Informationen:
Arnab Dutta et al., Verstärkung der Überwachung antimikrobieller Resistenzen: Schneller Nachweis von β-Lactamase-exprimierenden arzneimittelresistenten Bakterien durch sensibilisierte Lumineszenz auf einem papiergestützten Hydrogel, ACS-Sensoren (2023). DOI: 10.1021/acssensors.3c02065