22.04.2020 - Rochester Institute of Technology

Forscher bauen Mikro-Gerät zum Nachweis von Bakterien und Viren

Neues Verfahren verbessert Lab-on-Chip-Geräte zur Isolierung arzneimittelresistenter Stämme von bakteriellen Infektionen und Viren

Ingenieurwissenschaftler entwickelten ein Miniatur-Laborgerät der nächsten Generation, das magnetische Nanokügelchen verwendet, um kleinste Bakterienpartikel zu isolieren, die Krankheiten verursachen. Der Einsatz dieser neuen Technologie verbessert die Art und Weise, wie Kliniker arzneimittelresistente Stämme bakterieller Infektionen und schwer nachweisbare Mikropartikel wie Ebola- und Coronaviren isolieren können.

Ke Du und Blanca Lapizco-Encinas, beide Fakultätsforscher am Kate Gleason College of Engineering des Rochester Institute of Technology, arbeiteten zusammen mit einem internationalen Team an der Entwicklung des neuen Systems - ein mikrofluidisches Gerät, im Wesentlichen ein Lab-on-a-Chip.

Arzneimittelresistente bakterielle Infektionen verursachen jedes Jahr Hunderttausende von Todesfällen auf der ganzen Welt, und diese Zahl steigt kontinuierlich an. Basierend auf einem Bericht der Vereinten Nationen könnten die durch Antibiotikaresistenz verursachten Todesfälle bis 2050 jährlich 10 Millionen erreichen, erklärte Du.

"Es ist dringend notwendig, dass wir diese Krankheiten besser erkennen, verstehen und behandeln. Um einen schnellen und genauen Nachweis zu ermöglichen, ist die Reinigung und Vorbereitung der Proben entscheidend und unerlässlich, und genau dazu versuchen wir beizutragen. Wir schlagen vor, dieses neuartige Gerät zur Virusisolierung und zum Nachweis von Viren wie dem Coronavirus und Ebola einzusetzen", sagte Du, ein Assistenzprofessor des Maschinenbaus, dessen Hintergrund in der Entwicklung neuartiger Biosensoren und Geneditierungstechnologie liegt.

Das Laborteam interessiert sich für den Nachweis von bakteriellen Infektionen, insbesondere in Körperflüssigkeiten. Eines der Hauptprobleme beim Nachweis ist, wie höhere Konzentrationen von Krankheitserregern besser isoliert werden können.

Bei dem Gerät handelt es sich um eine hochentwickelte Laborumgebung, die in Feldkrankenhäusern oder Kliniken eingesetzt werden kann und Proben wesentlich schneller sammeln und analysieren sollte als die im Handel erhältlichen Membranfilter. Seine breiten, flachen Kanäle fangen kleine Bakterienmoleküle auf, die von gepackten, magnetischen Mikropartikeln angezogen werden.

Diese Kombination aus den tieferen Kanälen auf dem Nanogerät, der erhöhten Durchflussrate von Flüssigkeiten, in denen Bakterien suspendiert sind, und dem Einschluss magnetischer Kügelchen entlang der Kanäle des Geräts verbessert den Prozess der Einfang/Isolation von Bakterienproben. Die Forscher waren in der Lage, mit einem auf Mikropartikeln basierenden Matrixfilter erfolgreich Bakterien aus verschiedenen Flüssigkeiten zu isolieren. Der Filter fängt Partikel in kleinen Hohlräumen im Gerät ein, wodurch eine größere Konzentration von Bakterien für die Analyse bereitgestellt wird. Ein zusätzlicher Vorteil einer kleineren Vorrichtung wie dieser ermöglicht es, mehrere Proben gleichzeitig zu testen.

"Wir können dieses tragbare Gerät zu einem See bringen, der mit E. coli kontaminiert ist. Wir werden in der Lage sein, einige Milliliter der Wasserprobe zu nehmen und sie durch unser Gerät laufen zu lassen, so dass die Bakterien gefangen und konzentriert werden können. Wir können diese Bakterien entweder schnell in dem Gerät nachweisen oder sie in bestimmte Chemikalien freisetzen, um sie zu analysieren", sagte Du, dessen frühere Arbeit sich auf Geräte konzentrierte, die die CRISPR-Geneditierungstechnologie und das grundlegende Verständnis der Strömungsdynamik nutzen.

Die Zusammenarbeit mit Lapizco-Encinas, einem biomedizinischen Ingenieur mit Fachkenntnissen in der Dielektrophorese - einem Verfahren, bei dem elektrischer Strom zur Trennung von Biomolekülen verwendet wird - ermöglichte eine bessere Erkennung von Krankheitserregern, insbesondere bei der Isolierung und Konzentration von Bakterien und Mikroalgen.

"Unser Ziel ist nicht nur die Isolierung und der Nachweis von Bakterien in Wasser und menschlichem Plasma, sondern auch die Arbeit mit Vollblutproben, um Blutinfektionen wie Sepsis zu verstehen und nachzuweisen. Dafür haben wir bereits einen konkreten Plan. Die Idee besteht darin, ein Paar der Nanosieb-Vorrichtungen für die sequentielle Isolierung zu verwenden", sagte Lapizco-Encinas, ein außerordentlicher Professor in der Abteilung für biomedizinische Technik am RIT.

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Rochester Institute of Technology

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