20 maart 2023 — Wanneer een bacteriële infectie de bloedbaan bereikt, is elke seconde cruciaal. Het leven van de patiënt staat op het spel. Toch duurt bloedonderzoek om bacteriën te identificeren uren tot dagen. Tijdens het wachten schrijven artsen vaak breedspectrumantibiotica voor in de hoop de ziektekiem te doden.
Binnenkort zou die wachttijd aanzienlijk kunnen afnemen, waardoor zorgverleners sneller het beste antibioticum voor elke infectie kunnen vinden – dankzij een innovatie van Stanford University die bacteriën in seconden identificeert.
De geavanceerde methode is gebaseerd op ouderwetse technologie: een inkjetprinter, vergelijkbaar met het soort dat je misschien thuis hebt, behalve dat deze is aangepast om bloed te printen in plaats van inkt.
Deze “bioprinter” spuugt snel kleine druppeltjes bloed uit – meer dan 1000 per seconde. Schijn een laser op de druppels – met behulp van een op licht gebaseerde beeldvormingstechniek genaamd Raman-spectroscopie – en de unieke cellulaire “vingerafdruk” van de bacterie wordt onthuld.
De zeer kleine steekproefomvang – elke druppel is twee biljoenste van een liter, of ongeveer een miljard keer kleiner dan een regendruppel – maakt het gemakkelijker om bacteriën te spotten. Kleinere monsters betekenen minder cellen, dus laboratoriumtechnici kunnen de bacteriële spectra sneller scheiden van andere componenten, zoals rode bloedcellen en witte bloedcellen.
Om de efficiëntie nog verder te verhogen, voegden de onderzoekers gouden nanodeeltjes toe, die zich aan de bacteriën hechten en als antennes dienen om het licht te focussen. Machine learning – een vorm van kunstmatige intelligentie – helpt het spectrum van licht te interpreteren en te identificeren welke vingerafdruk bij welke bacterie hoort.
“Het werd uiteindelijk een echt interessante historische periode waarin we de stukken van verschillende technologieën, waaronder nanofotonica, printen en kunstmatige intelligentie, konden samenvoegen om de identificatie van bacteriën in deze complexe monsters te helpen versnellen”, zegt studieauteur Jennifer Dionne, PhD, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Stanford.
Vergelijk dat eens met bloedkweektesten in ziekenhuizen, waar het dagen duurt voordat bacteriecellen groeien en zich vermenigvuldigen in een grote machine die op een koelkast lijkt. Voor sommige bacteriën, zoals de soorten die tuberculose veroorzaken, duurt het kweken weken.
Vervolgens is verder testen nodig om te bepalen welke antibiotica de infectie zullen onderdrukken. De nieuwe technologie van Stanford zou dit proces ook kunnen versnellen.
“De belofte van onze techniek is dat je geen celcultuur nodig hebt om het antibioticum er bovenop te doen”, zegt Dionne. “Wat we ontdekken, is dat we door de Raman-verstrooiing dat kunnen gebruiken om te identificeren – zelfs zonder incubatie met antibiotica – op welk medicijn de bacteriën zouden reageren, en dat is echt opwindend.”
Als patiënten het antibioticum kunnen krijgen dat het meest geschikt is voor hun infectie, zullen ze waarschijnlijk betere resultaten hebben.
“Bloedkweken kunnen doorgaans 48 tot 72 uur duren om terug te komen, en dan baseer je je klinische beslissingen en pas je antibiotica aan op basis van die bloedkweken”, zegt Richard Watkins, MD, een arts voor infectieziekten en professor in de geneeskunde aan de Northeast Ohio Medical Universiteit. (Watkins was niet betrokken bij het onderzoek.)
“Soms, ondanks je beste gok, heb je het mis,” zegt Watkins, “en natuurlijk kan de patiënt een ongunstig resultaat hebben. Dus als je de ziekteverwekker eerder kunt diagnosticeren, is dat ideaal. Welke technologie clinici ook in staat stelt om dat te doen, het is absoluut een vooruitgang en een stap voorwaarts.”
Op wereldschaal zou deze technologie kunnen helpen het overmatig gebruik van breedspectrumantibiotica te verminderen, wat bijdraagt aan antimicrobiële resistentie, een opkomende bedreiging voor de gezondheid, zegt Dionne.
Het team werkt eraan om de technologie verder te ontwikkelen tot een instrument ter grootte van een schoenendoos en, na verdere tests, het product op de markt te brengen. Dat kan nog wel een paar jaar duren.
Deze technologie heeft ook mogelijkheden die verder gaan dan bloedbaaninfecties. Het kan worden gebruikt om bacteriën in andere vloeistoffen te identificeren, zoals in afvalwater of besmet voedsel.
