«Быстрое определение патогена, ответственного за инфекцию, и тестирование на наличие устойчивости имеют решающее значение не только для диагностики, но и для принятия решения о том, какие антибиотики назначить пациенту», – говорит Ральф Вайследер, доктор медицинских наук, директор Центра системной биологии MGH. (CSB) и соавтор обеих статей. "Эти описанные методы позволяют нам сделать это за два-три часа, что является значительным улучшением по сравнению со стандартной практикой культивирования, которая может занять до двух недель, чтобы поставить диагноз."
Исследователи MGH CSB ранее разработали портативные устройства, способные обнаруживать биомаркеры рака в крови или в очень небольших образцах тканей.
Клетки или молекулы-мишени сначала маркируются магнитными наночастицами, а затем образец пропускается через систему микро-ЯМР, способную обнаруживать и количественно определять уровни мишени. Но при первоначальных попытках адаптировать систему к бактериальной диагностике возникли проблемы с поиском антител (метод обнаружения, использовавшийся в более ранних исследованиях), которые точно выявляли бы конкретные бактерии. Вместо этого команда переключилась на нацеливание на конкретные последовательности нуклеиновых кислот.
Система, описанная в статье Nature Communications, опубликованной 23 апреля, обнаруживает ДНК туберкулезных бактерий в небольших образцах мокроты.
После извлечения ДНК из образца любая присутствующая целевая последовательность амплифицируется с использованием стандартной процедуры, затем захватывается полимерными шариками, содержащими комплементарные последовательности нуклеиновых кислот, и маркируется магнитными наночастицами с последовательностями, которые связываются с другими частями целевой ДНК. Миниатюрная катушка ЯМР, встроенная в устройство, размером примерно со стандартное лабораторное предметное стекло, обнаруживает любую бактериальную ДНК ТБ, присутствующую в образце.
Испытания устройства на образцах от пациентов с заведомо туберкулезом и здоровых контролей выявили все положительные образцы без ложноположительных результатов менее чем за три часа. Существующие диагностические процедуры могут занять несколько недель для получения результатов и могут пропустить до 40 процентов инфицированных пациентов.
Результаты были еще более сильными для пациентов, инфицированных как туберкулезом, так и ВИЧ – вероятно, потому что инфекция обоими патогенами приводит к высокому уровню бактерий туберкулеза – и специализированные зонды нуклеиновых кислот, разработанные исследовательской группой, смогли различить устойчивые к лечению штаммы бактерий.
В документе Nature Nanotechnology, опубликованном сегодня в Интернете, описывается аналогичная система, использующая рибосомную РНК (рРНК) – уже используемую в качестве бактериального биомаркера – в качестве мишени для маркировки наночастиц.
Исследователи разработали как универсальный зонд нуклеиновой кислоты, который обнаруживает область рРНК, общую для многих видов бактерий, так и набор зондов, нацеленных на последовательности, специфичные для 13 клинически важных патогенов, включая Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli и метициллин-устойчивый золотистый стафилококк (MRSA).
Устройство было достаточно чувствительным, чтобы обнаружить всего одну или две бактерии в образце крови объемом 10 мл и точно оценить бактериальную нагрузку. Тестирование системы на образцах крови пациентов с известными инфекциями позволило точно идентифицировать конкретные виды бактерий менее чем за два часа, а также выявить два вида, которые не были идентифицированы с помощью стандартных методов культивирования.
Хотя обе системы требуют дальнейшего развития, чтобы включить все этапы в герметичные автономные устройства, снижающие риск загрязнения, Вайследер отмечает, что небольшой размер и простота использования этих устройств делают их идеальными для использования в развивающихся странах. "Магнитные взаимодействия, на которых основано обнаружение патогенов, очень надежны, независимо от качества образца, а это означает, что обширная очистка, которая была бы затруднена в условиях ограниченных ресурсов, не требуется. Возможность диагностировать туберкулез в течение нескольких часов может позволить принимать решения о тестировании и лечении в рамках одного визита в клинику, что может иметь решающее значение для контроля над распространением туберкулеза в развивающихся странах."
Хахо Ли, доктор философии, Центр системной биологии MGH. соавтор обеих статей, отмечает, что система также будет иметь важные приложения в развитых странах. «Способность системы не только идентифицировать виды бактерий, но и дифференцировать такие факторы, как устойчивость к антибиотикам, поможет клиницистам с самого начала лечить пациентов« правильными »лекарствами, что также помогает уменьшить появление устойчивых к лечению штаммов. Тот факт, что для тестирования этого устройства требуется лишь крошечная капля образца, будет полезен в тех случаях, когда образцы трудно получить, например, при лечении детей или пожилых людей."