Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) demonstraram uma nova tática potencial para determinar rapidamente se um antibiótico combate uma determinada infecção, acelerando assim o tratamento médico eficaz e limitando o desenvolvimento de bactérias resistentes aos medicamentos. Seu método pode detectar rapidamente as flutuações mecânicas das células bacterianas e quaisquer alterações induzidas por um antibiótico.

Descrito em Relatórios Científicos , O sensor de protótipo do NIST fornece resultados em menos de uma hora, muito mais rápido do que os testes antimicrobianos convencionais, que normalmente requerem dias para crescer colônias de células bacterianas. Os resultados tardios dos testes convencionais permitem que infecções perigosas progridam antes que tratamentos eficazes possam ser encontrados e fornece uma janela de tempo para as bactérias desenvolverem resistência aos medicamentos.

Antibióticos prescritos incorretamente e bactérias resistentes a antibióticos representam sérias ameaças à saúde pública. Pelo menos 2 milhões de doenças e 23, 000 mortes são atribuídas a infecções bacterianas resistentes a antibióticos nos Estados Unidos a cada ano, de acordo com um relatório de 2013 dos Centros de Controle e Prevenção de Doenças.

Uma solução pode ser a nova abordagem de detecção do NIST, baseado em um ressonador de cristal de quartzo cujas vibrações variam de maneiras mensuráveis ​​quando as partículas na superfície mudam. A abordagem, que envolve células bacterianas aderidas a um ressonador, representa uma nova maneira de usar esses cristais super-sensíveis, que os pesquisadores do NIST demonstraram anteriormente para aplicações como medição da pureza de nanotubos de carbono.

A nova técnica NIST detecta o movimento mecânico dos micróbios e sua resposta aos antibióticos. Outros pesquisadores descobriram anteriormente que algum movimento bacteriano se torna mais fraco na presença de alguns antibióticos, mas até agora essas mudanças foram detectadas apenas com sensores em microescala e geralmente em bactérias móveis (impulsionadas por apêndices filiformes chamados flagelos). O método NIST pode ser mais útil em ambientes clínicos porque coleta dados eletrônicos de maneira econômica e, uma vez que detecta grandes colônias de bactérias, pode ser macroscópico e robusto.

O sensor é piezoelétrico, o que significa que suas dimensões mudam quando expostas a um campo elétrico. Um fino disco de quartzo piezoelétrico é imprensado entre dois eletrodos. Uma voltagem alternada em uma frequência estável perto da frequência ressonante do cristal é aplicada a um eletrodo para excitar as vibrações do cristal. De outro eletrodo no lado oposto do cristal, pesquisadores registram voltagens oscilantes da resposta do cristal, um sinal que mostra flutuações na frequência ressonante (ou ruído de frequência) decorrentes da atividade mecânica microbiana acoplada à superfície do cristal.

Os testes de prova de conceito no NIST usaram dois ressonadores de cristal de quartzo revestidos com vários milhões de células bacterianas. Um ressonador foi usado para testar o efeito de um antibiótico nas células, enquanto o segundo ressonador foi usado como controle sem o antibiótico.

A abordagem ultrassensível permitiu a detecção de flutuações de frequência geradas por células em um nível de menos de uma parte em 10 bilhões. Os experimentos mostraram que a quantidade de ruído de frequência estava correlacionada com a densidade de células bacterianas vivas. Quando as bactérias foram então expostas aos antibióticos, ruído de frequência diminuiu drasticamente. Bactérias com flagelos paralisados ​​foram utilizadas nos experimentos para eliminar os efeitos do movimento natatório. Isso permitiu aos pesquisadores concluir que as flutuações de frequência geradas por células detectadas surgem de vibrações das paredes das células.

Os pesquisadores do NIST perceberam a resposta de Escherichia coli ( E. coli ) a dois antibióticos, polimixina B (PMB) e ampicilina. O ruído de frequência gerado por células caiu para quase zero em 7 minutos após a introdução do PMB. O ruído de frequência começou a diminuir 15 minutos após a adição de ampicilina e, em seguida, caiu mais rapidamente à medida que as células se separaram e morreram. Essas escalas de tempo refletem as velocidades normais em que esses antibióticos atuam.

Após as medições do sensor, a eficácia dos antibióticos foi confirmada pelo crescimento de colônias das bactérias restantes. Ambos os antibióticos reduziram muito o número de células vivas.

Para determinar o quão amplamente útil a técnica pode ser, mais estudos serão necessários usando uma série de espécies bacterianas e antibióticos que atuam de maneiras diferentes. Pesquisadores do NIST obtiveram uma patente sobre a técnica:RESSONADOR E PROCESSO PARA A REALIZAÇÃO DE ENSAIO BIOLÓGICO, Patente U. S. No. 9, 725, 752, emitido em 8 de agosto, 2017