Een team van ingenieurs en biotechnologen van de Universiteit van Freiburg heeft voor het eerst bij zoogdieren aangetoond dat de concentratie van antibiotica in het lichaam kan worden bepaald met behulp van adem monsters. De adem metingen kwamen ook overeen met de antibiotica concentraties in het bloed. De biosensor van het team – een multiplex chip die gelijktijdige meting van meerdere monsters en teststoffen mogelijk maakt – zal in de toekomst gepersonaliseerde dosering van medicijnen tegen infectieziekten ter plaatse mogelijk maken en de ontwikkeling van resistente bacteriestammen helpen minimaliseren.
De sensor ontwikkeld door de onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Can Dincer en H. Ceren Ates, FIT Freiburg Center for Interactive Materials and Bioinspired Technologies, en Prof. Dr. Wilfried Weber, hoogleraar synthetische biologie en lid van het team van sprekers op het Cluster of Excellence CIBSS – Centre for Integrative Biological Signalling Studies, is gebaseerd op synthetische eiwitten die reageren op antibiotica en zo een actuele verandering genereren. De resultaten van de onderzoekers worden gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.
Voorheen konden onderzoekers alleen sporen van antibiotica in de adem detecteren.
De onderzoekers testten de biosensor op bloed-, plasma-, urine-, speeksel- en ademmonsters van varkens die antibiotica hadden gekregen. Ze konden aantonen dat het resultaat bereikt met biosensoren in het varkensplasma even nauwkeurig was als het standaard medische laboratoriumproces. Voorheen was het meten van antibiotica niveaus in uitgeademde ademmonsters niet mogelijk: “Tot nu toe konden onderzoekers alleen sporen van antibiotica in de adem detecteren. Met onze synthetische eiwitten op een microfluïdische chip kunnen we de kleinste concentraties in het adem condensaat bepalen en correleren met de bloedwaarden”, legt Dincer uit.
Sensor helpt om het antibiotica niveau stabiel te houden bij ernstig zieken.
Artsen moeten het antibiotica niveau binnen een gepersonaliseerd therapeutisch bereik houden voor patiënten die lijden aan ernstige infecties, met het risico op bedreigingen zoals sepsis en orgaanfalen of zelfs de dood van de patiënt. Door onvoldoende antibiotica toe te dienen kunnen bacteriën muteren waardoor de medicijnen niet meer werken: ze worden resistent. “Snelle controle van antibiotica niveaus zou een enorm voordeel zijn in het ziekenhuis”, zegt Ates, “het zou mogelijk zijn om de methode in een conventioneel gezichtsmasker te passen.” In een ander project aan de Universiteit van Freiburg ontwikkelt Dincer draagbare papieren sensoren voor de continue meting van biomarkers van uitgeademde adem. Er zijn klinische proeven gepland om de antibiotische biosensor te valideren door het systeem te testen met menselijke monsters.
Bacteriële eiwitten als sensor.
De microfluïdische biosensor bevat eiwitten die bètalactam antibiotica zoals penicilline kunnen herkennen, die op een polymeerfilm zijn bevestigd. Antibioticum van belang in het monster en een enzym-gekoppeld bèta-lactam zijn in competitie om deze bacteriële eiwitten te binden. Deze competitie genereert een stroomverandering – zoals in een batterij: hoe meer antibioticum er in het monster aanwezig is, hoe minder enzymproduct zich ontwikkelt, wat leidt tot een lagere meetbare stroom. Het proces is gebaseerd op een natuurlijk receptoreiwit dat resistente bacteriën gebruiken om de antibiotica op te sporen die hen bedreigen. “Je zou kunnen zeggen dat we de bacteriën verslaan in hun eigen spel”, zegt Weber over het proces dat door zijn groep is ontwikkeld.
Verschillende andere onderzoekers van de Universiteit van Freiburg waren betrokken bij deze interdisciplinaire studie: Prof. Dr. Gerald Urban van het Laboratorium voor Sensoren van de Afdeling Microsystems Engineering (IMTEK), Prof. Dr. Maja Banks-Köhn van de BIOSS en CIBSS Centers voor biologische signaleringsstudies, en Prof. Dr. Stefan Schumann van de afdeling Anesthesiologie en Critical Care van het Medisch Centrum – Universiteit van Freiburg.
Vertaling: Andre Teirlinck