WEST LAFAYETTE, Ind. – Dopplerradar verbetert levens door in luchtmassa’s te kijken om het weer te voorspellen. Een team van Purdue University gebruikt vergelijkbare technologie om in levende cellen te kijken en introduceert een methode om ziekteverwekkers op te sporen en infecties te behandelen op manieren die wetenschappers nog nooit eerder hebben gedaan.

In een nieuwe studie gebruikte het team Doppler om een ​​kijkje in cellen te nemen en hun metabolische activiteit in realtime te volgen, zonder te hoeven wachten tot de culturen waren gegroeid. Met behulp van deze mogelijkheid kunnen de onderzoekers microben testen die in voedsel, water en andere omgevingen worden aangetroffen om te zien of ze ziekteverwekkers zijn, of hen helpen het juiste medicijn te identificeren om antibioticaresistente bacteriën te behandelen.

David Nolte, Purdue's Edward M. Purcell Distinguished Professor in natuurkunde en astronomie; John Turek, hoogleraar medische basiswetenschappen; Eduardo Ximenes, onderzoekswetenschapper bij de afdeling Landbouw- en Biologische Techniek; en Michael Ladisch, hoogleraar landbouw- en biologische technologie, hebben deze techniek overgenomen van hun eerdere onderzoek naar kankercellen in een artikel dat deze maand in Biology Communications.

Met behulp van financiering van de National Science Foundation en Purdue's Discovery Park Big Idea Challenge werkte het team met onsterfelijk gemaakte cellijnen - cellen die voor altijd zullen leven tenzij je ze doodt. Ze stelden de cellen bloot aan verschillende bekende ziekteverwekkers, in dit geval salmonella en E. coli. Vervolgens gebruikten ze het Doppler-effect om te zien hoe de cellen reageerden. Deze levende cellen worden ‘schildwachten’ genoemd en het observeren van hun reacties wordt een biodynamische test genoemd.

"Eerst hebben we biodynamische beeldvorming toegepast op kanker, en nu passen we het toe op andere soorten cellen", zei Nolte. “Dit onderzoek is uniek. Niemand anders doet zoiets. Daarom is het zo intrigerend.”

Deze strategie is breed toepasbaar wanneer wetenschappers een onbekende microbe hebben geïsoleerd en willen weten of deze pathogeen – schadelijk voor levende weefsels – is of niet. Dergelijke cellen kunnen voorkomen in de voedselvoorziening, waterbronnen of zelfs in recentelijk gesmolten gletsjers.

“Dit meet direct of een cel pathogeen is”, zegt Ladisch. “Als de cellen niet pathogeen zijn, verandert het Doppler-signaal niet. Als dat zo is, verandert het Doppler-signaal behoorlijk aanzienlijk. Vervolgens kunt u andere methoden gebruiken om te identificeren wat de ziekteverwekker is. Dit is een snelle manier om vriend van vijand te onderscheiden.”

Snel kunnen vaststellen of een cel schadelijk is, is ongelooflijk nuttig in situaties waarin mensen een levend, onbekend micro-organisme tegenkomen, waardoor wetenschappers weten welke voorzorgsmaatregelen ze moeten nemen. Zodra bekend is dat een microbe schadelijk is, kunnen ze beginnen met vastgestelde protocollen waarmee ze de specifieke identiteit van de cel kunnen bepalen en een effectief antibioticum tegen het micro-organisme kunnen bepalen.

Een ander voordeel is de mogelijkheid om snel en direct te diagnosticeren welke bacteriën op welke antibiotica reageren. Antibioticaresistentie kan een verwoestend probleem zijn in ziekenhuizen en andere omgevingen waar personen met reeds aangetaste lichamen en immuunsystemen kunnen worden blootgesteld aan en geïnfecteerd door steeds grotere hoeveelheden antibioticaresistente bacteriën. Soms resulteert dit in een mogelijk fatale aandoening die bacteriële sepsis of bloedvergiftiging wordt genoemd. Dit verschilt van de virale sepsis die is besproken in verband met COVID-19, hoewel de wetenschappers zeggen dat hun volgende stappen het onderzoeken van virale sepsis zullen omvatten.

Het behandelen van sepsis is een uitdaging. Het geven van breedspectrumantibiotica aan de patiënt, wat klinkt als een goed idee, helpt misschien niet en kan de situatie voor de volgende patiënt verergeren. Door bacteriën in nauw contact te laten komen met antibiotica die hen niet doden, worden ze alleen maar resistenter tegen dat antibioticum en de volgende keer moeilijker te bestrijden.

Het kweken van de weefsels van de patiënt en het bepalen van het juiste antibioticum kan tijd kosten die de patiënt niet heeft, meestal acht tot tien uur. Dit nieuwe biodynamische proces stelt wetenschappers in staat de bacteriemonsters van de patiënt in een reeks kleine petrischaaltjes met daarin de weefselwachters te plaatsen en elk monster met een ander antibioticum te behandelen. Met behulp van Doppler kunnen ze snel zien welke bacteriemonsters dramatische metabolische veranderingen vertonen. De monsters die dat wel doen, zijn de monsters die op het antibioticum hebben gereageerd: de bacteriën sterven, worden verslagen en teruggeslagen door antibiotica.

"Als we met antibiotica behandelen, hoeven de bacteriën zich niet veel te vermenigvuldigen voordat ze de weefselwachters gaan aantasten", legt Nolte uit. “Er zijn nog steeds te weinig bacteriën om direct te zien of te meten, maar ze beginnen het gedrag van de weefsels te beïnvloeden, wat we met Doppler kunnen detecteren.”

In minder dan de helft van de tijd die een traditionele cultuur en diagnose in beslag nemen, konden artsen bepalen welk antibioticum ze moesten toedienen, waardoor de kansen op herstel van de patiënt werden vergroot. De onderzoekers werkten nauw samen met het Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization om hun technologieën te patenteren en in licentie te geven. Ze zijn van plan verder te onderzoeken of deze methode zou werken voor weefselmonsters die zijn blootgesteld aan niet-levende pathogene cellen of gedroogde sporen, en om virale sepsis te testen en te behandelen.

###

Over Purdue University

Purdue University is een vooraanstaande publieke onderzoeksinstelling die praktische oplossingen ontwikkelt voor de zwaarste uitdagingen van vandaag. Purdue, gerangschikt als de 5 meest innovatieve universiteit in de Verenigde Staten door US News & World Report, levert wereldveranderend onderzoek en buitengewone ontdekkingen. Toegewijd aan praktijkgericht en online leren in de echte wereld, biedt Purdue transformatief onderwijs voor iedereen. Purdue streeft naar betaalbaarheid en toegankelijkheid en heeft het collegegeld en de meeste collegegelden bevroren op het niveau van 2012-13, waardoor meer studenten dan ooit schuldenvrij kunnen afstuderen. Zie hoe Purdue nooit stopt in het aanhoudende streven naar de volgende grote sprong op https://achtervolgen.edu /.

SAMENVATTING

Doppler-beeldvorming detecteert bacteriële infectie van levend weefsel

Honggu Choi, Zhe Li, Zhen Hua, Jessica Zuponcic, Eduardo Ximenes, John J. Turek, Michael R. Ladisch en David D. Nolte

Levende 3D-in vitro-weefselculturen, gekweekt uit onsterfelijk gemaakte cellijnen, fungeren als levende schildwachten terwijl pathogene bacteriën het weefsel binnendringen. De infectie wordt gerapporteerd door veranderingen in de intracellulaire dynamiek van de schildwachtcellen, veroorzaakt door de verstoring van de normale cellulaire functie door de infecterende bacteriën. Hier toont de Doppler-beeldvorming van geïnfecteerde schildwachten de dynamische kenmerken van infecties. Invasieve Salmonella enterica serovar Enteritidis en Listeria monocytogenes dringen door meercellige tumorsferoïden heen, terwijl niet-invasieve stammen van Escherichia coli en Listeria innocua buiten de cellen geïsoleerd blijven en verschillende Doppler-signaturen genereren. Faseverdelingen veroorzaakt door intracellulair transport vertonen Lévy-statistieken, waarbij een Lévy-alfa-spectroscopie van bacteriële invasie wordt geïntroduceerd. Antibiotische behandeling van geïnfecteerde sferoïden, gevolgd door tijdsafhankelijke Doppler-verschuivingen, kan geneesmiddelresistente stammen onderscheiden van niet-resistente stammen. Dit gebruik van intracellulaire Doppler-spectroscopie van schildwachten van levend weefsel opent een nieuwe klasse van microbiële tests met potentieel belang voor het bestuderen van de opkomst van antibioticaresistentie.