Описанный в Scientific Reports, прототип датчика NIST дает результаты менее чем за час, что намного быстрее, чем при обычных антимикробных тестах, которые обычно требуют нескольких дней для роста колоний бактериальных клеток. Отсроченные результаты обычных тестов позволяют опасным инфекциям прогрессировать до того, как будут найдены эффективные методы лечения, и предоставляют бактериям временное окно для развития лекарственной устойчивости.Неправильно назначенные антибиотики и устойчивые к антибиотикам бактерии представляют серьезную угрозу для здоровья населения.
Согласно отчету Центров по контролю и профилактике заболеваний за 2013 год, по меньшей мере 2 миллиона заболеваний и 23000 смертей связаны с устойчивыми к антибиотикам бактериальными инфекциями в Соединенных Штатах каждый год.Одним из решений может быть новый подход к зондированию NIST, основанный на кварцевом резонаторе, колебания которого изменяются измеримыми способами при изменении частиц на поверхности. Подход, который включает в себя прикрепленные к резонатору бактериальные клетки, представляет собой новый способ использования этих сверхчувствительных кристаллов, который исследователи NIST ранее продемонстрировали для таких приложений, как измерение чистоты углеродных нанотрубок.Новый метод NIST определяет механическое движение микробов и их реакцию на антибиотики.
Другие исследователи ранее обнаружили, что движение некоторых бактерий ослабевает в присутствии некоторых антибиотиков, но до сих пор такие изменения обнаруживались только с помощью микромасштабных датчиков и, как правило, у подвижных бактерий (движимых нитевидными придатками, называемыми жгутиками). Метод NIST может быть более полезным в клинических условиях, потому что он экономически эффективно собирает электронные данные и, поскольку он обнаруживает большие бактериальные колонии, может быть макроскопическим и надежным.Датчик пьезоэлектрический, то есть его размеры меняются под воздействием электрического поля.
Между двумя электродами зажат тонкий пьезоэлектрический кварцевый диск. Переменное напряжение на стабильной частоте около резонансной частоты кристалла подается на один электрод для возбуждения колебаний кристалла.
С другого электрода на противоположной стороне кристалла исследователи регистрируют колебательные напряжения отклика кристалла, сигнал, который показывает колебания резонансной частоты (или частотного шума), возникающие из-за микробной механической активности, связанной с поверхностью кристалла.В испытаниях для подтверждения концепции в NIST использовались два кварцевых резонатора, покрытых несколькими миллионами бактериальных клеток. Один резонатор использовали для проверки действия антибиотика на клетки, а второй резонатор использовали в качестве контроля без антибиотика.Сверхчувствительный подход позволил обнаруживать колебания частоты, генерируемые клетками, на уровне менее одной десятой миллиарда.
Эксперименты показали, что количество частотного шума коррелировало с плотностью живых бактериальных клеток. Когда бактерии подверглись воздействию антибиотиков, частотный шум резко снизился. Бактерии с парализованными жгутиками использовали в экспериментах для устранения эффектов плавательного движения. Это позволило исследователям сделать вывод, что обнаруженные колебания частоты, генерируемые клетками, возникают из-за колебаний клеточных стенок.
Исследователи NIST обнаружили реакцию кишечной палочки (E. coli) на два антибиотика, полимиксин B (PMB) и ампициллин. Частотный шум, генерируемый сотами, упал почти до нуля в течение 7 минут после введения PMB. Частотный шум начал уменьшаться в течение 15 минут после добавления ампициллина, а затем падал быстрее, когда клетки распадались и умирали. Эти временные шкалы отражают нормальные скорости, с которыми работают эти антибиотики.
После сенсорных измерений эффективность антибиотиков была подтверждена ростом колоний оставшихся бактерий. Оба антибиотика значительно уменьшили количество живых клеток.