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«Wir haben in unseren Labors eine Technik entwickelt, die es uns ermöglicht, innerhalb von 2 bis 4 Stunden ein Antibiogramm zu erstellen – anstelle der derzeitigen 24 Stunden für die häufigsten Keime und eines Monats für Tuberkulose», sagt Dr. Sandor Kasas von der EPFL. Professor Ronnie Willaert von der Vrije Universiteit Brussel fügt hinzu: «Unsere Technik ist nicht nur schneller, sondern auch einfacher und viel billiger als alle anderen, die es derzeit gibt.»
Antibiotikaresistenz entsteht, wenn Bakterien die Fähigkeit entwickeln, die Medikamente zu überwinden, die sie töten sollen. Sie hat sich inzwischen zu einem globalen Problem der öffentlichen Gesundheit entwickelt. Im Jahr 2019 war sie für mindestens 1,27 Millionen Todesfälle weltweit verantwortlich, während sie an fast fünf Millionen Todesfällen beteiligt war. In den USA treten jedes Jahr fast drei Millionen antimikrobiell resistente Infektionen auf, wobei sich die Kosten für die Behandlung der sechs häufigsten Infektionen auf über 4,6 Milliarden US-Dollar belaufen. In der EU treten jedes Jahr fast 700 000 Fälle auf, die sie schätzungsweise 1,5 Milliarden Euro kosten.
Bei der Antibiotika-Empfindlichkeitsprüfung (AST) kommen Kulturmethoden zum Einsatz, bei denen Bakterien Antibiotika ausgesetzt werden, oder genetische Methoden, um festzustellen, ob die Bakterien Gene besitzen, die eine Resistenz verleihen. Typische ASTs dauern bis zu 24 Stunden oder bei langsam wachsenden Bakterien sogar noch länger – eine Zeitspanne, die im klinischen Umfeld über Leben und Tod entscheiden kann. In den letzten Jahren wurden einige schnellere AST-Tests entwickelt, die jedoch in der Regel sehr komplex sind und anspruchsvolle und teure Geräte erfordern.
Jetzt haben die Forschenden um Kasas und Willaert eine schnelle, kostengünstige und allgemein zugängliche Methode auf der Grundlage der Lichtmikroskopie entwickelt, mit der eine AST mit Einzelzell-Empfindlichkeit durchgeführt werden kann, ohne dass Bakterien angehängt oder markiert werden müssen. Für die Technik werden ein einfaches, konventionelles optisches Mikroskop, eine Kamera oder ein Mobiltelefon und eine spezielle Software benötigt. Das gemeinsame Forschungsprojekt wird in PNAS veröffentlicht.
Die neue Technik nennt sich Optical Nanomotion Detection (ONMD) und umfasst die Überwachung von Schwingungen im Nanobereich einzelner Bakterien vor und während der Einwirkung von Antibiotika. Die Überwachung wird mit einem einfachen optischen Mikroskop, einer Videokamera oder einem Mobiltelefon durchgeführt.
Die ONMD-Technik überwacht die mikroskopischen Schwingungen von Bakterienzellen (Nanobewegung), die für lebende Organismen charakteristisch sind und als «Signatur des Lebens» betrachtet werden können. Tatsächlich dauert die Nanobewegung so lange an, wie der Organismus lebt, und hört sofort auf, wenn er tot ist. Bei der ONMD-Technik wird die bakterielle Nanobewegung in einem Film aufgezeichnet, in dem alle individuellen Zellverschiebungen mit einer Auflösung im Sub-Pixel-Bereich überwacht werden.
Mit ONMD konnten die Forschenden die Empfindlichkeit zahlreicher Bakterien gegenüber Antibiotika nachweisen. Die Empfindlichkeit von Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Lactobacillus rhamnosus und Mycobacterium smegmatis (ein nicht-pathogenes Bakterienmodell für Tuberkulose) gegenüber den Antibiotika Ampicillin, Streptomycin, Doxycyclin und Vancomycin wurde in weniger als zwei Stunden bestimmt.
Das ONMD überwacht nicht nur die Übergänge zwischen Leben und Tod der Bakterien, wenn sie verschiedenen Antibiotika ausgesetzt sind, sondern zeigt auch Veränderungen im Stoffwechsel der Bakterien auf, die durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen verursacht werden. Die Tests zeigten, dass ONMD die Empfindlichkeit oder Resistenz von Bakterienzellen gegenüber Antibiotika auf einfache und schnelle Weise durch die Überwachung zellulärer Oszillationen beurteilen kann.
Die Autorinnen und Autoren stellen fest: «Einfachheit und Effizienz der Methode machen sie zu einem Wendepunkt auf dem Gebiet der AST», da sie auf eine breite Palette von Bakterien angewandt werden kann, was erhebliche Auswirkungen auf klinische und Forschungsanwendungen hat.