$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Wzrost oporności bakterii zwiększa potrzebę szybkich testów wrażliwości na antybiotyki opartych na fenotypie w celu zabezpieczenia naszych leków ostatniej szansy. Standardowe testy wrażliwości opierają się na hamowaniu wzrostu bakterii w obecności antybiotyków, które trwają wiele (8-24) godzin. Opracowaliśmy nowatorski test wrażliwości na antybiotyki na platformie mikroprzepływowej, który opiera się na aktywacji stresu szlaków biosyntezy w celu przyspieszenia działania antybiotyków.
Testy wrażliwości na antybiotyki w skali mikroprzepływowej mają tę zaletę, że są efektywnym wykorzystaniem próbek, ponieważ wymagają niewielkiej liczby bakterii. Dodatkowo, urządzenia mikroprzepływowe mogą być multipleksowane w celu testowania wielu próbek w różnych warunkach1,2. W ostatnim czasie opisano szereg metod mikroprzepływowych do badania wrażliwości na antybiotyki3-9. W tych metodach bakterie są hodowane wewnątrz nano- i pikolitrowych kropelek3,7, w pełnej objętości kanału mikroprzepływowego4-6,8 lub jako pojedyncze bakterie elektrycznie zlokalizowane na dolnej powierzchni kanału9. Chociaż testy te są przeprowadzane w kanałach mikroprzepływowych, wszystkie monitorują wzrost drobnoustrojów w obecności i bez antybiotyków, podobnie jak tradycyjne metody. Pomiary wzrostu są wykonywane za pomocą gęstości optycznej, barwników wrażliwych na pH lub kontrastu jasnego pola/fazy lub obrazów fluorescencyjnych. Chociaż niektóre z tych testów są szybsze niż tradycyjne metody, każda z nich pasywnie wykrywa oporność na antybiotyki. Innymi słowy, metody te nadal wymagają od użytkownika oczekiwania na rozwój bakterii jako ostateczny odczyt.
Przeciwnie, opracowaliśmy metodę, która wykorzystuje kombinację ścinania i stresu enzymatycznego do aktywacji wrażliwych na antybiotyki szlaków biochemicznych10. Rzucenie wyzwania zestresowanym bakteriom za pomocą tych antybiotyków tworzy szybszy test wrażliwości. Bakterie, które są odporne na antybiotyk, są w stanie wytrzymać stresujące warunki. Z drugiej strony wrażliwe bakterie są szybko zabijane przez połączone stresy. Procent śmierci komórki po jednej godzinie, mierzony za pomocą mikroskopii przy użyciu fluorescencyjnego barwienia martwych komórek, określa fenotyp bakterii (oporne vs. podatne).
Aby pomyślnie wdrożyć naszą metodę, bakterie muszą być unieruchomione na dolnej powierzchni kanału mikroprzepływowego. W ten sposób bakterie mogą być poddawane różnym stresom i jednocześnie obrazowane pod mikroskopem w jednej płaszczyźnie. Powlekane szkiełko mikroskopowe służy do unieruchamiania bakterii. Szkiełko jest wstępnie pokryte przez producenta grupami epoksydowymi do niespecyficznego wiązania białek. Niespecyficzne wiązanie tych epoksydów z białkami powierzchniowymi bakterii kowalencyjnie wiąże bakterie z powierzchnią szkiełka.
Szczepy są testowane w identycznych warunkach (ścinanie + stres enzymatyczny) przy braku (kontrola) i obecności (eksperyment) antybiotyku. Zdjęcia z każdego kanału z kontrastu fazowego i mikroskopu fluorescencyjnego są wykonywane automatycznie co dwie minuty przez jedną godzinę. Oznaczenia oporności są następnie dokonywane poprzez porównanie procentu martwych bakterii w kanale eksperymentalnym z tymi obecnymi w kanale kontrolnym. Po godzinie próbka o odsetku śmierci komórki większym niż 1% jest uważana za podatną, podczas gdy mniej niż 0,5% śmierci wskazuje na oporność. Wartości procentowe, które mieszczą się między tymi dwoma punktami odcięciami, są uważane za nieokreślone i próbka musi zostać ponownie przetestowana.
Kanały mikroprzepływowe są zdefiniowane w PDMS, który jest materiałem wybieranym dla urządzeń mikroprzepływowych11. PDMS jest optycznie przezroczysty w szerokim zakresie długości fal, biokompatybilny, obojętny, przepuszczalny dla gazów i ma niską przepuszczalność dla cieczy; Dlatego dobrze nadaje się do tych eksperymentów.
Naprężenie mechaniczne/ścinające jest wytwarzane przez przepływ mediów o temperaturze pokojowej nad unieruchomionymi bakteriami. (Uwaga: Podgrzanie pożywki do 37 °C nie ma znaczącego wpływu na wynik testu.) Zautomatyzowane pompy strzykawkowe tłoczą pożywkę (zawierającą barwnik z martwych komórek +/- antybiotyk, a także opcjonalne stresory enzymatyczne) przez kanały mikroprzepływowe (200 μm x 400 μm) z natężeniem przepływu 1 ml/min, co daje 6,25 kPa siły ścinającej lub szybkość ścinania 6 000 sec-1. Szybkość ta jest równa lub przewyższa wcześniej badane naprężenia ścinające na gronkowce.
Enzym, lizostafina, został wybrany do wstępnych eksperymentów, ponieważ powoduje bezpośrednie uszkodzenie ściany komórkowej Staphylococcus. Stężenie lizostafiny (0,7 ng/ml) było wystarczające, aby spowodować uszkodzenie ściany komórkowej bakterii, ale nie było wystarczające, aby spowodować śmierć komórek bakteryjnych bez antybiotyku w czasie eksperymentu. Lizostafina nie jest wymagana do prawidłowego oznaczenia podatności bakterii, ale zwiększa wynik, prowadząc do zwiększonej śmierci komórek w podatnych szczepach. Natomiast naprężenie ścinające ma kluczowe znaczenie dla funkcji testu. Gdy wrażliwe na metycylinę szczepy Staphylococcus aureus są traktowane lizostafiną i oksacyliną przy braku przepływu, w trakcie eksperymentu nie rejestruje się śmierci komórek.
Żywotność komórek jest monitorowana za pomocą fluorescencyjnego barwienia martwych komórek12. Wybór barwnika opierał się na jego zdolności do selektywnego barwienia tylko uszkodzonych komórek, jego nietoksyczności dla żywych komórek oraz niskiej fluorescencji tła, co pozwoliło na jego bezpośrednie dodanie do pożywki komórkowej bez dodatkowych etapów. Dobór barwnika fluorescencyjnego o stężeniu 0,25 μM miał na celu osiągnięcie akceptowalnych poziomów sygnału w czasie 1,6 sekundy ekspozycji na światło wzbudzające fluorescencję.
Beta-laktam, oksacylina, była używana w naszych wstępnych badaniach. Oporne na metycylinę gatunki S. aureus (MRSA) są oporne na oksacylinę i nie wykażą żadnej znaczącej śmierci komórki w czasie trwania eksperymentu. W badaniach wstępnych oznaczono stężenie 50 μg/ml. Niższe stężenia antybiotyku dawały mniejszą separację między szczepami opornymi i podatnymi, podczas gdy wyższe stężenia nie powodowały znaczącej różnicy w wynikach eksperymentalnych.
Wcześniej informowaliśmy o udanym rozwoju testu, który łączy mechaniczne i enzymatyczne naprężenia, które bezpośrednio wpływają na ścianę komórkową bakterii13, z antybiotykiem, który hamuje biosyntezę ściany komórkowej14,15. Te eksperymenty potwierdzające słuszność zasady przeprowadzono na panelu MRSA i wrażliwego na metycylinę S. aureus (MSSA). Jednak przy doborze odpowiednich parametrów eksperymentalnych, nasza metoda powinna mieć zastosowanie do wielu gatunków bakterii i wielu klas antybiotyków.