Kleiner ist schneller: Diagnostik auf dem Mikrochip

Vermehrung von Erregern entfällt

Heute dauert es mehrere Stunden bis Tage, um zu bestimmen, ob ein Keim antibiotikaresistent ist. Das ist oft zu lange, wenn Ärztinnen und Ärzte Therapieentscheidungen fällen müssen. Der zeitaufwändigste Teil gängiger Diagnostikverfahren ist dabei, die Erreger aus entnommenen Proben zu vermehren. Deshalb zielen neue Ansätze darauf ab, auch mit weit weniger Bakterien genaue Resultate zu liefern. Ein Team um Petra Dittrich von der ETH Zürich hat nun in einem NFP 72-Projekt eine Methode entwickelt, in der kleinste Mengen von Keimen auf einem Mikrochip festgehalten und analysiert werden können. Dadurch entfällt der Schritt der Vermehrung, so dass bereits nach 2.5 Stunden eine Auswertung vorliegt.

Der Mikrochip enthält hunderte kleiner Kammern, die mit Sauerstoffsensoren auf Basis von Nanopartikeln und mit Antibiotika gefüllt sind. Die in Flüssigkeit gehaltenen Bakterien werden mittels Pipette auf den Chip aufgetragen, so dass sich die Kammern füllen. Anschliessend werden die Kammern mit einer luftdichten, transparenten Folie verschlossen. Falls die Bakterien gegenüber dem verwendeten Antibiotikum sensibel sind, sterben sie in der Folge ab, falls sie resistent sind, überleben sie. Dies lässt sich unter dem Mikroskop anhand des Sauerstoffverbrauchs der Bakterien feststellen. In Versuchen mit verschiedenen Bakterienarten zeigten sich die Unterschiede zwischen sensiblen und resistenten Bakterien nach ca. 1.5 Stunden, sichere Resultate erhielten die die Forschenden nach ungefähr 2.5 Stunden. Je nach Bakterienart variierten diese Zeiten leicht.

Reale Prozesse beobachten

Petra Dittrich und ihr Team entwickelten zudem eine weitere Variante ihrer Mikrochips, die es ermöglicht, zuerst die Flüssigkeit mit den Bakterien in die Kammern zu füllen und erst zu einem späteren Zeitpunkt ein Antibiotikum beizugeben. Dies ist für Forschungszwecke hilfreich, weil Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler so studieren können, was bei der Einnahme von Medikamenten real passiert. Nicht zuletzt lassen sich damit Konzentrationsschwankungen simulieren und deren Effekt auf die Vermehrung der Bakterien wiederum unter dem Mikroskop beobachten. Dies kann wichtige Hinweise auf die Entstehung von Resistenzen liefern.

Mit ihrem Projekt haben die Forschenden gezeigt, dass sich Mikrochip-basierte Methoden grundsätzlich für die schnelle Diagnostik von Antibiotikaresistenzen eignen würden. Da sämtliche dazu benötigten Instrumente klein sind, ist dieser Ansatz für die Point-of-Care-Diagnostik etwa in Arztpraxen vielversprechend, besonders auch in Gebieten, in denen die medizinische Infrastruktur wenig ausgebaut ist und grosse Diagnostiklabors fehlen. Petra Dittrich und ihr Team entwickeln die Technologie nun im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts NCCR AntiResist weiter.

​Stand: September 2021​

Microfluidic device for ultrarapid phenotypic susceptibility testing of pathogenic microbes