Врачи давно заметили, что многие инфекции имеют специфический запах. Теперь исследователи используют это для диагностики устойчивости к противомикробным препаратам в течение нескольких минут.
Пациент с жалобами на боль в мочевом пузыре, частое мочеиспускание и жжение при мочеиспускании: все признаки указывают на инфекцию мочевыводящих путей. Врач назначает анализ мочи, чтобы проверить наличие бактериальной инфекции и узнать, какой антибиотик лучше всего поможет избавиться от нее. При этом врач знает, что не получит результатов в течение нескольких дней или даже недель. А пока он назначает антибиотик широкого спектра действия, который без разбора уничтожит все чувствительные микробы в организме пациента. Однако некоторые устойчивые бактерии могут выжить и процветать.
Это распространенный сценарий для многих стран. Исследования, проведенные в Великобритании, США, Индии, Южной Африке и других странах, свидетельствуют о неоправданном применении препаратов широкого спектра действия у 30-95% пациентов с признаками бактериальных инфекций. Такая практика, наряду с нерегулируемым чрезмерным использованием антибиотиков в животноводстве, является основной причиной тихой пандемии, называемой антимикробной резистентностью (AMР), от которой ежегодно умирают миллионы людей. «Это проблема, которую мы должны решить», - говорит Андреас Гюнтнер, инженер из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе, занимающийся разработкой новых технологий для биомедицинских исследований. «Если эффективность антибиотиков будет снижаться с той же скоростью, что и сейчас, мы можем вернуться к медицине 300-летней давности, когда люди умирали от простой инфекции».
Текущий диагностический процесс для выявления AMР длителен и требует специализированного и дорогостоящего оборудования. Медленные методы выявления заставляют медицинских работников полагаться на неспецифические методы лечения, которые в конечном итоге приносят больше вреда, чем пользы. «Нам нужны быстрые и простые в использовании диагностические инструменты», - говорит Гюнтнер. Вдохновленные этой острой необходимостью замедлить развитие AMР и инициативой Всемирной организации здравоохранения по наращиванию глобального потенциала диагностики AMР, Гюнтнер и его коллеги предложили использовать крошечные газовые сенсоры для выявления бактериальных инфекций и обнаружения AMР в биологических жидкостях. Этот метод, опубликованный в журнале Cell Biomaterials, может сократить время, необходимое для определения инфекционного штамма бактерии и ее чувствительности к антибиотикам, с нескольких дней до нескольких минут.
Врачи уже давно полагаются на свой нос при выявлении бактериальных инфекций. Pseudomonas aeruginosa пахнет виноградом, Streptococcus anginosus издает аромат карамели, а виды Clostridium имеют гнилостный запах. «Со времен Гиппократа и Авиценны врачи знали, что неприятный запах от инфицированных ран или серный запах при галитозе зубов что-то значат», - говорит Гюнтнер. Эти характерные запахи обусловлены бактериальными летучими органическими соединениями (ЛОС), которые являются продуктами метаболизма различных микроорганизмов. Многие процессы, такие как производство аммиака при разложении белков или синтез этанола при ферментации сахара, являются общими для всех родов и видов. Однако определенные биомаркеры запаха могут помочь идентифицировать конкретные штаммы, их вирулентность и AMР. «С развитием масс-спектрометрии высокого разрешения и других аналитических методов мы можем точно определять состав и концентрацию молекул запаха», - говорит Гюнтнер. Используя такие методы, исследователи из Великобритании определили сочетание шести летучих органических соединений для дифференциации устойчивых к антибиотикам и чувствительных штаммов кишечной палочки с 85-процентной точностью.
Ранее Гюнтнер и его коллеги разработали датчики для обнаружения аммиака, ацетона, изопрена и других газообразных соединений в дыхании, которые могут использоваться для мониторинга различных заболеваний человека. Вдохновленный работой группы, Адриан Эгли, медицинский микробиолог из ETH Цюрих, обратился к Гюнтнеру с идеей создания газовых датчиков для обнаружения AMР. «Если вы определяете заболевания по дыханию, то почему бы вам не улавливать дыхание бактерий?» - сказал он Гюнтнеру. Вскоре эта дискуссия привлекла внимание других исследователей института. «Мы подумали, что было бы здорово использовать синергию между клиницистами, инженерами и специалистами по машинному обучению», - рассказывает Гюнтнер.
Междисциплинарная группа разработала совершенно новый диагностический процесс для выявления микробов и их чувствительности к антибиотикам на основе летучих органических соединений в пространстве над образцом мочи. Ключевым компонентом для точного обнаружения штаммов являются знания о биомаркерах на основе летучих веществ. Гюнтнер и его коллеги планируют использовать алгоритмы машинного обучения, чтобы свести сложные профили бактериальных летучих веществ к набору биомаркеров, которые помогут обнаружить виды микробов, их статус AMР и профили вирулентности.
Следующий шаг - разработка компактных датчиков, способных надежно определять летучие биомаркеры. Сложность заключается в том, что они должны быть чувствительны и к слабым концентрациям соответствующих летучих веществ. Представьте себе комнату, наполненную миллионом синих шариков и одним красным. Это относительная концентрация летучих веществ, которую датчики должны уловить в течение нескольких секунд. «Секрет того, почему вы можете обнаружить такую низкую концентрацию, заключается в огромной площади поверхности наночастиц на датчиках», - объясняет Гюнтнер. «Одна чайная ложка этих наночастиц имеет площадь поверхности более 100 квадратных метров».
Следующее препятствие - сделать так, чтобы датчик обнаруживал только соответствующий биомаркер, а не сотни других летучих органических соединений в пространстве. Разнообразные материалы, такие как оксиды металлов, полимеры, производные графена и углеродные нанотрубки, могут отвечать всем этим требованиям и стать хорошими сенсорами. Гюнтнер уже создал устройство, которое может различать чашки с бактериальным ростом и без него, основываясь исключительно на летучих соединениях. Группа также планирует создать первый прототип для обнаружения кишечной палочки в ближайшие три года. В настоящее время частота проведения бактериологических исследований составляет всего 1,3% в некоторых регионах мира с ограниченными ресурсами. Гюнтнер и его коллеги надеются, что с внедрением их технологии эта цифра увеличится, что позволит сократить избыточное использование антибиотиков и облегчить бремя AMР. Устройство будет не только компактно, но и может управляться необученным персоналом, что улучшает его применение в отдаленных уголках мира.
"Через десяток-другой лет, когда, надеюсь, появятся эффективные решения и проблема антимикробной резистентности станет менее актуальной, мы сможем сказать, что внесли в ее решение свой вклад. В конце концов, это то, о чем мы все мечтаем", - сказал Гюнтнер.
