As infecções bacterianas são a principal causa de doença e morte em todo o mundo; um problema de saúde pública em curso agravado por diagnósticos lentos ou imprecisos. Agora, os cientistas financiados pelo NIBIB projetaram um teste barato baseado em papel que pode identificar rapidamente vários tipos de bactérias.
A equipe de pesquisa da Universidade de Nebraska usou uma mistura complexa de microbiologia, química e inteligência artificial (IA) para criar uma plataforma de teste que parece enganosamente de baixa tecnologia – construída para uso em ambientes remotos de poucos recursos, como hospitais de campo e áreas rurais. clínicas.

"Nós projetamos essa tecnologia para ser extremamente sensível e precisa para identificar espécies bacterianas, além de ser fácil de fabricar", explicou Denis Svechkarev, Ph.D., professor assistente de pesquisa no departamento de ciências farmacêuticas e co-autor do artigo. com o estudante de pós-graduação Aayushi Laliwala. “O teste também é durável o suficiente para sobreviver ao envio para locais remotos e simples o suficiente para ser facilmente usado por profissionais de saúde com treinamento e equipamentos limitados”.

O trabalho está sendo realizado no laboratório de Aaron M. Mohs, Ph.D., professor associado do departamento de ciências farmacêuticas e autor sênior da publicação, que apareceu na revista Analytical Chemistry em 24 de janeiro.

A plataforma "simples", que está em fase de desenvolvimento e teste com a esperança de eventual uso em campo, tem um nome complexo, "Paper-Based Ratiometric Fluorescent Sensor Array". Aproximadamente do tamanho de um cartão de 3 x 5, o sensor de papel é "arranjado" com uma grade de pequenos círculos nos quais as amostras bacterianas a serem testadas são aplicadas. A parte "ratiométrica fluorescente" do nome refere-se à maneira engenhosa como as bactérias são identificadas.

A equipe de pesquisa projetou e sintetizou corantes fluorescentes que podem "sentir" as sutis diferenças bioquímicas de cada tipo de bactéria e transformar essas diferenças em diferentes sinais fluorescentes. Quatro diferentes corantes fluorescentes são secos em quatro círculos na matriz que compreende um único teste. Uma amostra bacteriana, como e coli, é colocada em cada um dos quatro círculos e os corantes são ativados com luz ultravioleta, resultando em quatro corantes enviando cinco sinais fluorescentes para um total de 20 sinais fluorescentes por teste.

Um leitor de placas fluorescentes escaneia os 20 sinais fluorescentes, que variam de acordo com a interação dos corantes com a membrana externa da bactéria. Um programa de IA de última geração – na forma de uma rede neural artificial – foi treinado para reconhecer o padrão sutil, mas específico, de intensidades fluorescentes criadas por cada tipo de bactéria. O resultado é um padrão fluorescente "assinado" que é transferido do leitor para o programa de rede neural artificial, que identifica o tipo de bactéria.

Em colaboração com os microbiologistas, os Drs. Marat R. Sadykov e Kenneth W. Bayles, a equipe testou o sistema usando uma coleção de 16 espécies bacterianas. O sistema identificou corretamente as 16 espécies em mais de 90% das vezes – um nível de precisão que poderia fornecer a um profissional de saúde em campo informações valiosas sobre as bactérias específicas em um indivíduo infectado, permitindo um tratamento antibiótico preciso e imediato. O teste também determinou se a bactéria era gram positiva ou negativa com 95% de precisão. O teste de Gram é uma técnica que determina ainda mais a composição das bactérias e é fundamental para saber quais tipos de antibióticos são mais eficazes. A acurácia do teste foi extremamente promissora, considerando que algumas horas de atraso no diagnóstico e tratamento de uma doença infecciosa pioram drasticamente o prognóstico do paciente.

Cada aspecto do teste foi projetado para uso potencial até mesmo nas partes mais remotas do mundo, onde as técnicas atuais que exigem equipamentos e conhecimentos sofisticados não são viáveis. Por exemplo, secar os corantes fluorescentes no cartão de papel eliminou a necessidade de usar corantes fluorescentes líquidos que exigiriam refrigeração – muitas vezes indisponíveis em regiões de poucos recursos. A fotolitografia foi usada para "carimbar" a grade de círculos no cartão de papel - uma maneira rápida e barata de fabricar milhares de cartões. Nos testes - feitos colocando os cartões em uma caixa no armário - os cartões permaneceram estáveis ​​por até seis meses, tornando-os ideais para envio e distribuição para áreas remotas. O padrão no cartão é idêntico às placas de 96 poços usadas para muitos testes que usam componentes líquidos, o que permite que os cartões de papel sejam escaneados e lidos por máquinas padrão prontamente disponíveis.

"Este projeto é um exemplo extraordinário de como fazer algo simples requer o uso de várias tecnologias complexas", disse Tatjana Atanasijevic, Ph.D., (Gerente de Programa Científico) do programa em Sensores Bioanalíticos do Instituto Nacional de Imagens Biomédicas e Bioengenharia (NIBIB), que co-financiou o projeto juntamente com vários institutos adicionais nos Institutos Nacionais de Saúde.

O trabalho está em fase de pesquisa e desenvolvimento e a equipe está testando e refinando o sistema usando amostras que replicam o que seria coletado de pacientes em campo. Futuros feitos técnicos na mira da equipe incluem trabalhar com engenheiros para criar um sistema que permitiria que o cartão de 96 pontos fosse lido com um dispositivo mais simples, talvez até uma câmera de celular – um objetivo reconhecidamente alto, mas factível, explicou Svechkarev.

Questionado sobre o trabalho, Mohs credita o esforço extraordinário de Svechkarev e Laliwala. "A tecnologia necessária para criar esse sistema de detecção de bactérias foi desenvolvida durante a pandemia, quando tínhamos acesso limitado ao laboratório. Denis e Aayushi usaram esse tempo para desenvolver habilidades que incluíam novos métodos de codificação por computador, aprendendo a usar diferentes tipos de inteligência artificial, e finalizando o design dos melhores corantes fluorescentes - todos os elementos-chave que se juntaram para construir este promissor sistema de diagnóstico." + Explorar mais

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