Бактериальные инфекции стали одной из самых больших проблем со здоровьем во всем мире, и недавнее исследование показывает, что у пациентов с COVID-19 гораздо больше шансов получить вторичные бактериальные инфекции, что значительно увеличивает уровень смертности.
Борьба с инфекциями - непростая задача. Небрежное и чрезмерное назначение антибиотиков приводит к быстрому появлению и распространению в бактериях генов, устойчивых к антибиотикам, что создает еще большую проблему. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, в США ежегодно регистрируется 2,8 миллиона инфекций, устойчивых к антибиотикам, и более 35 000 человек умирают от них.
Одним из факторов, замедляющих борьбу с устойчивыми к антибиотикам бактериями, является количество времени, необходимое для их тестирования. В традиционном методе используются бактерии, извлеченные из организма пациента, и сравниваются лабораторные культуры, выращенные с антибиотиками и без них, но получение результатов может занять от одного до двух дней, что увеличивает уровень смертности, продолжительность пребывания в больнице и общую стоимость лечения.
Доцент Сохын «Шон» Чой - преподаватель кафедры электротехники и вычислительной техники Колледжа инженерии и прикладных наук им. Томаса Дж. Уотсона Бингемтонского университета - исследует более быстрый способ проверки бактерий на устойчивость к антибиотикам.
«Чтобы эффективно лечить инфекции, нам нужно выбрать правильные антибиотики с точной дозой для соответствующей продолжительности», - сказал он.«Необходимо разработать метод тестирования на чувствительность к антибиотикам и предложить эффективные рекомендации по лечению этих инфекций».
За последние несколько лет Чой разработал несколько проектов, в которых «папертроника» пересекается с биологией, например, проект по разработке биобатарей с использованием человеческого пота.
Это новое исследование под названием «Простой, недорогой и быстрый метод оценки эффективности антибиотиков против экзоэлектрогенных бактерий» и опубликованное в ноябрьском номере журнала «Биосенсоры и биоэлектроника» основано на тех же принципах, что и батарейки: Бактериальный электрон перенос, химический процесс, который некоторые микроорганизмы используют для роста, общего поддержания клеток и обмена информацией с окружающими микроорганизмами.
«Мы используем это биохимическое событие для новой методики оценки эффективности антибиотиков против бактерий без мониторинга всего бактериального роста», - сказал Чой.«Насколько мне известно, мы первыми продемонстрировали эту технику с высокой скоростью и высокой пропускной способностью, используя бумагу в качестве основы».
Работая с аспирантами Ян Гао (который получил степень в мае и сейчас работает научным сотрудником в Техасском университете в Остине), Джихён Рю и Линь Лю, Чой разработал тестовое устройство, которое непрерывно контролирует внеклеточный перенос электронов.
Бригада медиков брала образец у пациента, инокулировала бактерии различными антибиотиками в течение нескольких часов, а затем измеряла скорость переноса электронов. Более низкий показатель будет означать, что антибиотики работают.
«Гипотеза состоит в том, что противовирусное воздействие может вызвать достаточное ингибирование бактериального переноса электронов, поэтому показания устройства будут достаточно чувствительными, чтобы показать небольшие изменения в электрическом выходе, вызванные изменениями в эффективности антибиотиков», - Чой. сказал.
Устройство может предоставить результаты об устойчивости к антибиотикам всего за пять часов, что послужит важным диагностическим инструментом, особенно в районах с ограниченными ресурсами.
Прототип, построенный частично при финансовой поддержке Национального научного фонда и Управления военно-морских исследований США, имеет восемь датчиков, напечатанных на его бумажной поверхности, но их можно расширить до 64 или 96 датчиков, если медицинские работники захотят. встроить в устройство другие тесты.
Опираясь на это исследование, Чой уже знает, куда он и его студенты хотели бы двигаться дальше: «Хотя многие бактерии вырабатывают энергию, некоторые патогены не осуществляют внеклеточный перенос электронов и не могут быть использованы непосредственно на нашей платформе., Однако различные химические соединения могут способствовать переносу электронов от бактерий, не производящих электричество.
"Например, кишечная палочка не может переносить электроны изнутри клетки наружу, но с добавлением некоторых химических соединений они могут генерировать электричество. Сейчас мы работаем над тем, чтобы сделать эту технику общедоступной. ко всем бактериальным клеткам."