Le infezioni batteriche sono diventate uno dei maggiori problemi di salute in tutto il mondo e un recente studio mostra che i pazienti COVID-19 hanno una probabilità molto maggiore di contrarre infezioni batteriche secondarie, il che aumenta significativamente il tasso di mortalità.

Tuttavia, combattere le infezioni non è un compito facile. Quando gli antibiotici vengono prescritti con noncuranza ed eccessiva, ciò porta alla rapida comparsa e diffusione di geni resistenti agli antibiotici nei batteri, creando un problema ancora più grande. Secondo i Centers for Disease Control and Prevention, negli Stati Uniti si verificano ogni anno 2,8 milioni di infezioni resistenti agli antibiotici e più di 35.000 persone muoiono a causa di esse.

Un fattore che rallenta la lotta contro i batteri resistenti agli antibiotici è la quantità di tempo necessaria per testarli. Il metodo convenzionale utilizza batteri estratti da un paziente e confronta le colture di laboratorio coltivate con e senza antibiotici, ma i risultati possono richiedere uno o due giorni, aumentando il tasso di mortalità, la durata della degenza ospedaliera e il costo complessivo delle cure.

Il professore associato Seokheun “Sean” Choi, un membro della facoltà del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica presso il Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science della Binghamton University, sta cercando un modo più rapido per testare la resistenza agli antibiotici dei batteri.

“Per trattare efficacemente le infezioni, dobbiamo selezionare gli antibiotici giusti con la dose esatta per la durata appropriata”, ha detto. “È necessario sviluppare un metodo di test della sensibilità agli antibiotici e offrire linee guida efficaci per trattare queste infezioni”.

Negli ultimi anni, Choi ha sviluppato diversi progetti che incrociano la “papertronics” con la biologia, come uno che ha sviluppato biobatterie utilizzando il sudore umano.

Questa nuova ricerca, intitolata “Un metodo semplice, economico e rapido per valutare l’efficacia degli antibiotici contro i batteri esoelettrogeni” e pubblicata nel numero di novembre della rivista Biosensors and Bioelectronics, si basa sugli stessi principi delle batterie: trasferimento di elettroni batterici, un processo chimico che alcuni microrganismi utilizzano per la crescita, il mantenimento generale delle cellule e lo scambio di informazioni con i microrganismi circostanti.

“Sfruttiamo questo evento biochimico per una nuova tecnica per valutare l’efficacia dell’antibiotico contro i batteri senza monitorare l’intera crescita batterica”, ha detto Choi. “Per quanto ne so, siamo i primi a dimostrare questa tecnica in modo rapido e ad alta produttività utilizzando la carta come substrato”.

Lavorare con Ph.D. Gli studenti Yang Gao (che ha conseguito la laurea a maggio e ora lavora come ricercatore post-dottorato presso l’Università del Texas ad Austin), Jihyun Ryu e Lin Liu, Choi hanno sviluppato un dispositivo di test che monitora continuamente il trasferimento di elettroni extracellulari dei batteri.

Un team medico estrae un campione da un paziente, inocula i batteri con vari antibiotici nell’arco di poche ore e poi misura la velocità di trasferimento degli elettroni. Un tasso inferiore significherebbe che gli antibiotici stanno funzionando.

“L’ipotesi è che l’esposizione antivirale potrebbe causare una sufficiente inibizione al trasferimento di elettroni batterici, quindi la lettura del dispositivo sarebbe abbastanza sensibile da mostrare piccole variazioni nella produzione elettrica causate da cambiamenti nell’efficacia antibiotica”, ha detto Choi.

Il dispositivo potrebbe fornire risultati sulla resistenza agli antibiotici in sole cinque ore, il che servirebbe come un importante strumento diagnostico point-of-care, soprattutto nelle aree con risorse limitate.

Il prototipo, costruito in parte con il finanziamento della National Science Foundation e dell’Ufficio per la ricerca navale degli Stati Uniti, ha otto sensori stampati sulla sua superficie di carta, ma potrebbe essere esteso a 64 o 96 sensori se i professionisti medici volessero costruire altri test nel dispositivo.

Basandosi su questa ricerca, Choi sa già dove lui e i suoi studenti vorrebbero andare dopo: “Sebbene molti batteri producano energia, alcuni agenti patogeni non eseguono il trasferimento di elettroni extracellulari e potrebbero non essere utilizzati direttamente nella nostra piattaforma. Tuttavia, varie sostanze chimiche i composti possono aiutare il trasferimento di elettroni da batteri non produttori di elettricità.

“Ad esempio, l’ E. Coli non può trasferire elettroni dall’interno della cellula all’esterno, ma con l’aggiunta di alcuni composti chimici, possono generare elettricità. Ora stiamo lavorando su come rendere questa tecnica generale per tutte le cellule batteriche . ”