Polska metoda testowania antybiotyków i ich kombinacji

Zespół naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pod kierunkiem prof. Piotra Garsteckiego tworzy nowe mikroprzepływowe narzędzie diagnostyczne, które w ciągu kilku godzin może wskazać odpowiednią kombinację antybiotyków do leczenia infekcji u danego pacjenta.

Każdy człowiek reaguje na antybiotykoterapię nieco inaczej, nawet jeśli infekcje spowodowały te same drobnoustroje. Wiąże się to z różną mikroflorą, indywidualną zmiennością metabolizmu i wieloma innymi czynnikami. Nowe narzędzie do szybkiego badania wrażliwości na antybiotyki u danego pacjenta to krok przybliżający nas w stronę medycyny spersonalizowanej.

– Zwykle lekarze nie podają pacjentowi więcej niż dwóch antybiotyków, by nie przeciążać jego organizmu – mówi jeden z autorów projektu dr Ladislav Derzsi. – Dzięki naszej metodzie mogą pobrać od chorego próbkę i sprawdzić, który antybiotyk lub jakie ich połączenie zadziała optymalnie w tym konkretnym przypadku, czyli zindywidualizować leczenie, zamiast polegać na statystycznych uogólnieniach.

Narzędzie jest nie tylko wiarygodne, ale również szybkie i tanie. Daje zatem większe szanse na pokonanie zakażenia. Nowy chip do badania wrażliwości bakterii na antybiotyki wykorzystuje mniej odczynników niż standardowy antybiogram na agarowej pożywce, a jego użycie jest niezwykle proste. Dodatkowo wizualizacja wyników może odbywać się na różne sposoby – wykorzystując metaboliczne wskaźniki obecności bakterii, barwniki fluorescencyjne albo efekt kolorymetryczny.

– Chcieliśmy zbadać antybiotykowrażliwość najprościej, jak tylko się da, nie tylko dla pojedynczej substancji bakteriobójczej, ale także dla ich kombinacji albo w różnych warunkach – mówi dr Ladislav Derzsi. – By stworzyć nasz chip połączyliśmy kilka rzeczy odkrytych zupełnie niezależnie. Wykorzystaliśmy na przykład standardowe techniki fotolitografii i litografii tworzyw sztucznych, powszechnie używane do produkcji tak zwanych laboratoriów chipowych LOC i połączyliśmy je z techniką druku bezkontaktowego na specjalnie dla nas zaprojektowanej maszynie.

Konstrukcja chipu jest rzeczywiście bardzo prosta. Zawiera mikrodołki, w które wprowadzone zostają antybiotyki o różnych stężeniach i w różnych kombinacjach. Dr Ladislav Derzsi opisuje sposób nanoszenia substancji na pytkę. Przypomina on zwykły druk: „drukarki mają maleńkie dysze i wykorzystując siły piezoelektryczne potrafią precyzyjnie dostarczać w żądany punkt określoną objętość atramentu: nanolitry, pikolitry, ba, nawet femtolitry. My robimy podobnie, tyle że zamiast atramentu dostarczamy antybiotyki i nie na papier, lecz do mikrodołków z plastycznego elastomeru. Rozpuszczalnik, czyli woda, odparowuje, a to, co zostaje, to mikroskopijna dawka antybiotyku”.

W badaniu opisanym w „Micromachines” mikrodołki były stosunkowo duże – miały 1 mm średnicy i pojemność ok. 0,67 mikrolitra, zatem na każdym chipie mieściły się 1024 takie punkty. To o rząd wielkości więcej niż na standardowych płytkach, które mają 96 dołków, a są dwukrotnie większe. Dr Ladislav Derzsi jest zdania, że „zmniejszając indywidualne rozmiary każdej celki, liczbę mikrodołków można zwiększyć nawet do 10000 na standardowych rozmiarów chipie”.

Płytki zabezpieczane są taśmą polimerową, by odciąć dostęp powietrza, a następnie poddawane działaniu próżni. W ten sposób sprzęt dostarczy się do końcowego użytkownika w podciśnieniu i w postaci sterylnej.

– W wersji komercyjnej zapewne dodatkowo pakowalibyśmy chipy próżniowo tak, jak to się robi z żywnością – wyjaśnia dr Ladislav Derzsi. – Użytkownik musi tylko odpakować płytkę, wprowadzić roztwór bakterii zwykłą, dostępną na rynku pipetą, a potem dodać niewielką ilość oleju, który rozdziela dołki i pomaga uniknąć ich krzyżowego skażenia. Później trzeba już tylko włożyć płytkę do cieplarki i… czekać na wynik. Po zadanym czasie można odczytać, jaka kombinacja antybiotyków i w jakich stężeniach działa najlepiej; innymi słowy, zobaczyć, gdzie bakterie rosną niechętnie lub wcale.

W ramach projektu badane było sześć zestawów pojedynczych antybiotyków w ośmiu różnych stężeniach, a także, dla zwiększenia precyzji, w ośmiu powtórzeniach. Testowano także ich kombinacje – po dwa z sześciu badanych antybiotyków w jednym mikrodołku i w szeregu powtórzeń. Narzędzie jest jednak dużo bardziej elastyczne. Badać można połączenia wielu antybiotyków, inhibitorów i substancji pomocniczych, wstrzykując je do jednego punktu w zadanych przez odbiorcę kombinacjach. Dlatego choć praca zespołu prof. Garsteckiego skupiała się na antybiotykowrażliwości bakterii, sama metoda ma potencjał, by po wprowadzeniu pewnych zmian można ją było wykorzystywać także w innych zastosowaniach, takich jak na przykład identyfikacja swoistych genów albo przeciwciał. Poszukując nowych leków naukowcy często mają do dyspozycji bardzo ograniczone ilości potencjalnie leczniczych substancji. Dzięki drukowi bezkontaktowemu mogą przetestować więcej różnych stężeń i kombinacji różnych leków.