Рост бактериальной резистентности усиливает необходимость в быстрых тестах на восприимчивость к антибиотикам на основе фенотипа, чтобы защитить наши препараты последней инстанции. Стандартные тесты на восприимчивость основаны на ингибировании роста бактерий в присутствии антибиотиков, которые принимают несколько (8-24) часов для завершения. Мы разработали новый тест на восприимчивость к антибиотикам на микрофлюидной платформе, которая опирается на стресс-активацию биосинтетических путей для ускорения действия антибиотиков.
Тесты на восприимчивость к антибиотикам в микрофлюидной шкале имеют преимущество эффективного использования образца, поскольку они требуют небольшого количества бактерий. Кроме того, микрофлюидные устройства могут быть мультиплексированы для того, чтобы протестировать несколько образцов при несколькихусловиях 1,2. В последнее время, ряд микрофлюидных методов для тестирования на чувствительность к антибиотикам былизарегистрированы 3-9. В этих методах бактерии выращиваются внутри нано- и пиколитическихкапель 3,7,в полном объеме микрофлюидногоканала 4-6,8,или как одиночные бактерии, электрически локализованные на нижней поверхности канала9. Хотя эти тесты проводятся в микрофлюидных каналах, все они контролируют рост микробов в присутствии и отсутствии антибиотиков, аналогичных традиционным методам. Измерения роста проводятся с помощью оптических плотностей, чувствительных к рН красителей или яркого контраста поля/фазы или изображений флуоресценции. Хотя некоторые из этих тестов быстрее, чем традиционные методы, каждый из них пассивно обнаружить устойчивость к антибиотикам. Другими словами, эти методы по-прежнему требуют от пользователя ждать роста бактерий в качестве окончательного считыва.
В отличие от этого, мы разработали метод, который использует сочетание снятия снятия и энзиматический стресс для активации чувствительных к антибиотикам биохимическихпутей 10. Вызов подчеркнул бактерий с этими антибиотиками создает более быстрый тест восприимчивости. Бактерии, устойчивые к антибиотикам, способны выдерживать стрессовые условия. С другой стороны, восприимчивые бактерии быстро погибают от комбинированных стрессов. Процент клеточной смерти через час, измеряемый микроскопией с использованием флуоресцентного пятна мертвых клеток, определяет фенотип бактерий (резистентный против восприимчивых).
Для успешной реализации нашего метода бактерии должны быть обездвижены на нижней поверхности микрофлюидного канала. Таким образом, бактерии могут подвергаться различным стрессам и одновременно изображения под микроскопом в одной плоскости. Стеклянный слайд с покрытием микроскопа используется для иммобилизации бактерий. Слайд предварительно покрытием производителя с эпоксидными группами для неспецифического связывания белка. Неспецифическая привязка этих эпоксидов к бактериальным поверхностным белкам ковалентно прикрепляет бактерии к поверхности слайда.
Штаммы тестируются в одинаковых условиях (стрижка и энзиматический стресс) при отсутствии (контроле) и наличии (эксперименте) антибиотика. Фазовая контрастность и флуоресценция микроскопа фотографии каждого канала принимаются автоматически каждые две минуты в течение одного часа. Затем обозначения сопротивления сделаны путем сравнения процента мертвых бактерий в экспериментальном канале с теми, которые присутствуют в канале управления. После одного часа, образец с процентом смерти клетки больше чем 1% посчитан susceptible, пока меньш чем 0.5% смерть свидетельствует сопротивления. Проценты, которые падают между этими двумя отрезами, считаются неопределенными, и образец должен быть проверен еще раз.
Микрофлюидные каналы определяются в PDMS, который является материалом выбора для микрофлюидных устройств11. PDMS оптически прозрачна в широком диапазоне длин волн, биосовместима, инертна, проницаема для газов и имеет низкую проницаемость жидкостей; поэтому он хорошо подходит для этих экспериментов.
Механический/стрижка стресс создается потоком средств массовой информации комнатной температуры над обездвиженными бактериями. (Примечание: Потепление средств массовой информации до 37 градусов по Цельсию не имеет существенного влияния на результаты анализа.) Автоматизированные шприц насосы силу средств массовой информации (содержащий мертвые пятна клеток / - антибиотик, а также дополнительные энзиматические стрессоры) через микрофлюидные каналы (200 мкм х 400 мкм) при скорости потока 1 мл/мин, чтобы дать 6,25 кПа силы стрижки или скорость стрижки 6000сек -1. Этот показатель равен или превышает ранее изученные нагрузки с shear на Staphylococci.
Фермент, лизостафин, был выбран для предварительных экспериментов, потому что он вызывает прямое повреждение стенки клеток стафилококка. Концентрация лизостафина (0,7 нг/мл) была достаточной, чтобы вызвать повреждение стенок бактериальных клеток, но недостаточной, чтобы вызвать гибель бактериальных клеток без антибиотика в сроки эксперимента. Лизостафин не требуется для правильного обозначения бактериальной восприимчивости, но это увеличивает результат, что приводит к увеличению смертности клеток в восприимчивых штаммов. В отличие от этого, стресс стрижки имеет решающее значение для анализа функции. Когда метициллин чувствительных штаммов золотистого стафилококка лечатся лизостафином и оксациллином при отсутствии потока, клеточной смерти не регистрируется в течение эксперимента.
Жизнеспособность клеток контролируется с флуоресцентным пятном мертвыхклеток 12. Выбор красителя был основан на его способности избирательно окрашивать только поврежденные клетки, его нетоксичность для живых клеток, и его низкой фоновой флуоресценции, что позволило для его прямого добавления к клеточному смиреанию без дополнительных шагов. Выбор концентрации флуоресцентного красителя в 0,25 МКМ должен был достичь приемлемого уровня сигнала в течение 1,6 сек времени воздействия флуоресцентного возбуждения света.
Бета-лактам, оксациллин, был использован в наших предварительных исследованиях. Метициллин-устойчивые К. ауреус (MRSA) устойчивы к оксациллину и не покажут заметной гибели клеток в сроки эксперимента. В ходе предварительных исследований была определена концентрация 50 мкг/мл. Более низкие концентрации антибиотиков давали меньше разделения между устойчивыми и восприимчивыми штаммами, в то время как более высокие концентрации не вызывают заметной разницы в экспериментальных исходах.
Ранее мы сообщали об успешном разработке теста, который сочетает в себе механические и энзиматические стрессы, которые непосредственно влияют набактериальную клеточной стенки 13 с антибиотиком, который подавляет биосинтезклеточной стенки 14,15. Эти эксперименты были проведены на панели MRSA и метициллин чувствительных S. aureus (MSSA). Однако при выборе надлежащих экспериментальных параметров наш метод должен быть применим к нескольким видам бактерий и нескольким классам антибиотиков.