20. März 2023 – Wenn eine bakterielle Infektion den Blutkreislauf erreicht, ist jede Sekunde entscheidend. Das Leben des Patienten steht auf dem Spiel. Doch Blutuntersuchungen zum Nachweis von Bakterien dauern Stunden bis Tage. Während des Wartens verschreiben Ärzte oft Breitbandantibiotika in der Hoffnung, den möglicherweise schuldhaften Keim abzutöten.
Eines Tages könnte diese Wartezeit erheblich verkürzt werden, sodass Gesundheitsdienstleister schneller das beste Antibiotikum für jede Infektion finden können – dank einer Innovation der Stanford University, die Bakterien in Sekundenschnelle identifiziert.
Die hochmoderne Methode stützt sich auf Technik der alten Schule: einen Tintenstrahldrucker, ähnlich dem, den Sie vielleicht zu Hause haben, außer dass dieser so modifiziert wurde, dass er Blut anstelle von Tinte druckt.
Dieser „Bioprinter“ spuckt winzige Blutstropfen schnell aus – mehr als 1.000 pro Sekunde. Richten Sie einen Laser auf die Tropfen – unter Verwendung einer lichtbasierten Bildgebungstechnik namens Raman-Spektroskopie – und der einzigartige zelluläre „Fingerabdruck“ der Bakterien wird sichtbar.
Die sehr kleine Probengröße – jeder Tropfen ist zwei Billionstel Liter oder etwa eine Milliarde Mal kleiner als ein Regentropfen – erleichtert das Aufspüren von Bakterien. Kleinere Proben bedeuten weniger Zellen, sodass Labortechniker die Bakterienspektren schneller von anderen Komponenten wie roten Blutkörperchen und weißen Blutkörperchen trennen können.
Um die Effizienz noch weiter zu steigern, fügten die Forscher Gold-Nanopartikel hinzu, die sich an die Bakterien anheften und wie Antennen dienen, um das Licht zu bündeln. Maschinelles Lernen – eine Art künstliche Intelligenz – hilft dabei, das Lichtspektrum zu interpretieren und zu identifizieren, welcher Fingerabdruck zu welchen Bakterien gehört.
„Am Ende war es diese wirklich interessante historische Periode, in der wir die Teile aus verschiedenen Technologien zusammenfügen konnten, darunter Nanophotonik, Drucken und künstliche Intelligenz, um die Identifizierung von Bakterien in diesen komplexen Proben zu beschleunigen“, sagt Studienautorin Jennifer Dionne. PhD, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und -technik in Stanford.
Vergleichen Sie das mit Blutkulturtests in Krankenhäusern, wo es Tage dauert, bis Bakterienzellen in einer großen Maschine wachsen und sich vermehren, die wie ein Kühlschrank aussieht. Bei einigen Bakterien, wie den Arten, die Tuberkulose verursachen, dauert die Kultur Wochen.
Dann sind weitere Tests erforderlich, um festzustellen, welche Antibiotika die Infektion unterdrücken. Auch diesen Prozess könnte die neue Technologie aus Stanford beschleunigen.
„Das Versprechen unserer Technik ist, dass man keine Zellkultur braucht, um das Antibiotikum darüber zu geben“, sagt Dionne. „Wir stellen fest, dass wir anhand der Raman-Streuung auch ohne Inkubation mit Antibiotika feststellen können, auf welches Medikament die Bakterien reagieren würden, und das ist wirklich aufregend.“
Wenn Patienten das für ihre Infektion am besten geeignete Antibiotikum erhalten können, werden sie wahrscheinlich bessere Ergebnisse erzielen.
„Es kann normalerweise 48 bis 72 Stunden dauern, bis Blutkulturen zurückkommen, und dann treffen Sie Ihre klinischen Entscheidungen und passen Antibiotika auf der Grundlage dieser Blutkulturen an“, sagt Dr. Richard Watkins, Arzt für Infektionskrankheiten und Professor für Medizin an der Northeast Ohio Medical Universität. (Watkins war an der Studie nicht beteiligt.)
„Manchmal liegt man trotz aller Vermutung falsch“, sagt Watkins, „und offensichtlich könnte der Patient ein nachteiliges Ergebnis haben. Wenn Sie also den Erreger früher diagnostizieren können, ist das ideal. Unabhängig davon, welche Technologie Kliniker dazu in die Lage versetzt, ist dies definitiv ein Fortschritt und ein Schritt nach vorn.“
Auf globaler Ebene könnte diese Technologie dazu beitragen, den übermäßigen Einsatz von Breitbandantibiotika zu reduzieren, der zu antimikrobieller Resistenz beiträgt, einer aufkommenden Gesundheitsbedrohung, sagt Dionne.
Das Team arbeitet daran, die Technologie zu einem Instrument in der Größe eines Schuhkartons weiterzuentwickeln und das Produkt mit weiteren Tests zu kommerzialisieren. Das könnte ein paar Jahre dauern.
Diese Technologie hat auch Potenzial jenseits von Blutstrominfektionen. Es könnte verwendet werden, um Bakterien in anderen Flüssigkeiten zu identifizieren, beispielsweise in Abwasser oder kontaminierten Lebensmitteln.