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Il nuovo dispositivo offre un modo più veloce per individuare i batteri resistenti agli antibiotici

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

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Combattere le infezioni non è un compito facile, però. Quando gli antibiotici vengono prescritti con noncuranza e in modo eccessivo, ciò porta alla rapida comparsa e alla diffusione di geni resistenti agli antibiotici nei batteri - creando un problema ancora più grande. Secondo i Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie, ogni anno negli Stati Uniti si verificano 2,8 milioni di infezioni resistenti agli antibiotici e più di 35.000 persone ne muoiono.

Un fattore che rallenta la lotta contro i batteri resistenti agli antibiotici è il tempo necessario 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 da uno a due giorni, aumentando il tasso di mortalità, la durata della degenza ospedaliera e il costo complessivo delle cure.

Professore associato Seokheun "Sean" Choi - un membro della facoltà del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science della Binghamton University - è alla ricerca di un modo più veloce per testare i batteri per la resistenza agli antibiotici.

"Per curare efficacemente le infezioni, dobbiamo selezionare gli antibiotici giusti con la dose esatta per la durata appropriata", ha detto. "C'è la necessità di sviluppare un metodo di test di sensibilità agli antibiotici e di offrire linee guida efficaci per trattare queste infezioni"

Negli ultimi anni, Choi ha sviluppato diversi progetti che incrociano la "papertronics" con la biologia, come quello che ha sviluppato le biobatterie con 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.

"Facciamo leva su questo evento biochimico per una nuova tecnica per valutare l'efficacia degli antibiotici 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 alto rendimento utilizzando la carta come substrato"

Lavorando con i dottorandi Yang Gao (che si è laureato a maggio e che ora lavora come ricercatore post-dottorato presso l'Università del Texas ad Austin), Jihyun Ryu e Lin Liu, Choi ha sviluppato un dispositivo di test che monitora continuamente il trasferimento di elettroni extracellulari dei batteri.

Un'équipe medica estraeva un campione da un paziente, inoculava i batteri con vari antibiotici per alcune ore e poi misurava la velocità di trasferimento degli elettroni. Una velocità 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 degli antibiotici", ha detto Choi.

Il dispositivo potrebbe fornire risultati sulla resistenza agli antibiotici in sole cinque ore, che servirebbe come un importante strumento diagnostico per il punto di cura, specialmente in aree con risorse limitate.

Il prototipo - costruito in parte con il finanziamento della National Science Foundation e dell'Ufficio della Ricerca Navale degli Stati Uniti - ha otto sensori stampati sulla sua superficie cartacea, ma che potrebbero essere estesi a 64 o 96 sensori se i professionisti medici volessero costruire altri test nel dispositivo.