Testen Sie Antibiotikaresistenzen mit einer schnellen, billigen und einfachen Methode

Antibiotikaresistenz tritt auf, wenn Bakterien die Fähigkeit entwickeln, die Medikamente zu besiegen, die sie töten sollen. Es hat sich mittlerweile zu einem globalen Problem der öffentlichen Gesundheit entwickelt. Es war 2019 weltweit für mindestens 1,27 Millionen Todesfälle verantwortlich, während es an fast fünf Millionen Todesfällen beteiligt war. Jedes Jahr gibt es in den USA fast drei Millionen antimikrobiell resistente Infektionen, wobei die Kosten für die Behandlung der sechs häufigsten Infektionen über 4,6 Milliarden US-Dollar betragen. Die EU verzeichnet jedes Jahr fast 700.000 Fälle, die sie schätzungsweise 1,5 Milliarden Euro kosten.

Antibiotika-Sensitivitätstests (AST) verwenden Kulturmethoden, die Bakterien Antibiotika aussetzen, oder genetische Methoden, um festzustellen, ob Bakterien Gene besitzen, die Resistenz verleihen. Typische ASTs dauern bis zu 24 Stunden oder sogar länger für langsam wachsende Bakterien – ein Zeitrahmen, der in einer klinischen Umgebung Leben oder Tod bedeuten kann. In den letzten Jahren wurden einige schnellere ASTs entwickelt, aber sie sind in der Regel komplex und erfordern hochentwickelte und teure Geräte.

Jetzt haben Forscher unter der Leitung von Dr. Sandor Kasas von der EPFL und Professor Ronnie Willaert von der Vrije Universiteit Brussel eine schnelle, kostengünstige und allgemein zugängliche Methode entwickelt, die auf optischer Mikroskopie basiert und eine AST mit Einzelzellempfindlichkeit und ohne Anbringen von oder durchführen kann Bakterien markieren. Die Technik verwendet ein einfaches, herkömmliches optisches Mikroskop, eine Kamera oder ein Mobiltelefon und eine spezielle Software. Das gemeinsame Forschungsprojekt ist veröffentlicht in PNAS.

„Wir haben in unseren Labors eine Technik entwickelt, die es uns ermöglicht, innerhalb von 2-4 Stunden ein Antibiogramm zu erhalten – statt der derzeitigen 24 Stunden für die häufigsten Keime und einem Monat für Tuberkulose“, sagt Dr. Kasas.

Professor Willaert fügt hinzu: „Unsere Technik ist nicht nur schneller, sondern auch einfacher und viel billiger als alle derzeit existierenden.“

Die neue Technik wird als optische Nanobewegungserkennung (ONMD) bezeichnet und beinhaltet die Überwachung von nanoskaligen Schwingungen einzelner Bakterien vor und während sie Antibiotika ausgesetzt werden. Die Überwachung erfolgt mit einem einfachen optischen Mikroskop, einer Videokamera oder einem Mobiltelefon.

Die ONMD-Technik überwacht die mikroskopischen Schwingungen von Bakterienzellen (Nanomotion), die lebende Organismen charakterisieren und als „Signatur des Lebens“ betrachtet werden können. Tatsächlich hält die Nanobewegung so lange an, wie der Organismus lebt, hört aber sofort auf, wenn er tot ist. Bei der ONMD-Technik wird bakterielle Nanobewegung in einem Film aufgezeichnet, in dem alle einzelnen Zellverschiebungen mit Subpixelauflösung überwacht werden.

Die Forscher nutzten ONMD, um erfolgreich die Empfindlichkeit zahlreicher Bakterien gegenüber Antibiotika nachzuweisen. Die Empfindlichkeit von Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Lactobacillus rhamnosus und Mycobacterium smegmatis (ein nicht-pathogenes Bakterienmodell für Tuberkulose) gegenüber den Antibiotika Ampicillin, Streptomycin, Doxycyclin und Vancomycin wurde in weniger als zwei Stunden bestimmt.

Das ONMD überwacht nicht nur die Lebens-Tod-Übergänge von Bakterien nach Exposition gegenüber verschiedenen Antibiotika, sondern hebt auch Veränderungen im Stoffwechsel der Bakterien hervor, die durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen verursacht werden. Die Tests zeigten, dass ONMD die Empfindlichkeit oder Resistenz von Bakterienzellen gegenüber Antibiotika auf einfache und schnelle Weise durch die Überwachung von Zellschwingungen beurteilen kann.

Die Autoren stellen fest: „Die Einfachheit und Effizienz der Methode machen sie zu einem Wendepunkt auf dem Gebiet der AST“, da sie auf eine breite Palette von Bakterien angewendet werden kann, was erhebliche Auswirkungen auf klinische und Forschungsanwendungen hat.