Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont démontré une nouvelle tactique potentielle pour déterminer rapidement si un antibiotique combat une infection donnée, accélérant ainsi un traitement médical efficace et limitant le développement de bactéries résistantes aux médicaments. Leur méthode permet de détecter rapidement les fluctuations mécaniques des cellules bactériennes et tout changement induit par un antibiotique.

Décrit dans Rapports scientifiques , Le capteur prototype du NIST fournit des résultats en moins d'une heure, beaucoup plus rapide que les tests antimicrobiens classiques, qui nécessitent généralement des jours pour développer des colonies de cellules bactériennes. Les résultats tardifs des tests conventionnels permettent à des infections dangereuses de progresser avant que des traitements efficaces puissent être trouvés et fournissent une fenêtre de temps pour que les bactéries développent une résistance aux médicaments.

Les antibiotiques mal prescrits et les bactéries résistantes aux antibiotiques constituent de graves menaces pour la santé publique. Au moins 2 millions de maladies et 23, 000 décès sont attribués aux infections bactériennes résistantes aux antibiotiques aux États-Unis chaque année, selon un rapport de 2013 des Centers for Disease Control and Prevention.

Une solution peut être la nouvelle approche de détection NIST, basé sur un résonateur à cristal de quartz dont les vibrations varient de manière mesurable lorsque les particules à la surface changent. L'approche, qui implique des cellules bactériennes adhérées à un résonateur, représente une nouvelle façon d'utiliser ces cristaux super-sensibles, ce que les chercheurs du NIST ont déjà démontré pour des applications telles que la mesure de la pureté des nanotubes de carbone.

La nouvelle technique du NIST détecte le mouvement mécanique des microbes et leur réponse aux antibiotiques. D'autres chercheurs ont précédemment découvert que certains mouvements bactériens s'affaiblissent en présence de certains antibiotiques, mais jusqu'à présent, de tels changements n'ont été détectés qu'avec des capteurs à micro-échelle et généralement dans des bactéries mobiles (propulsées par des appendices filiformes appelés flagelles). La méthode NIST peut être plus utile dans les milieux cliniques car elle collecte des données électroniques de manière rentable et, puisqu'il détecte de grandes colonies bactériennes, peut être macroscopique et robuste.

Le capteur est piézoélectrique, ce qui signifie que ses dimensions changent lorsqu'elles sont exposées à un champ électrique. Un mince disque de quartz piézoélectrique est pris en sandwich entre deux électrodes. Une tension alternative à une fréquence stable proche de la fréquence de résonance du cristal est appliquée à une électrode pour exciter les vibrations du cristal. D'une autre électrode sur le côté opposé du cristal, les chercheurs enregistrent les tensions oscillantes de la réponse du cristal, un signal qui montre des fluctuations dans la fréquence de résonance (ou bruit de fréquence) résultant de l'activité mécanique microbienne couplée à la surface du cristal.

Les tests de preuve de concept au NIST ont utilisé deux résonateurs à cristal de quartz recouverts de plusieurs millions de cellules bactériennes. Un résonateur a été utilisé pour tester l'effet d'un antibiotique sur les cellules, tandis que le deuxième résonateur a été utilisé comme témoin sans antibiotique.

L'approche ultra-sensible a permis de détecter les fluctuations de fréquence générées par les cellules à un niveau inférieur à une partie sur 10 milliards. Les expériences ont montré que la quantité de bruit de fréquence était corrélée à la densité de cellules bactériennes vivantes. Lorsque les bactéries ont ensuite été exposées à des antibiotiques, le bruit de fréquence a fortement diminué. Des bactéries avec des flagelles paralysés ont été utilisées dans les expériences pour éliminer les effets du mouvement de nage. Cela a permis aux chercheurs de conclure que les fluctuations de fréquence détectées générées par les cellules proviennent des vibrations des parois cellulaires.

Les chercheurs du NIST ont détecté la réponse de Escherichia coli ( E. coli ) à deux antibiotiques, la polymyxine B (PMB) et l'ampicilline. Le bruit de fréquence généré par les cellules est tombé près de zéro dans les 7 minutes suivant l'introduction du PMB. Le bruit de fréquence a commencé à diminuer dans les 15 minutes suivant l'ajout d'ampicilline, puis a diminué plus rapidement lorsque les cellules se sont séparées et sont mortes. Ces échelles de temps reflètent les vitesses normales auxquelles ces antibiotiques agissent.

Après les mesures du capteur, l'efficacité des antibiotiques a été confirmée par la croissance de colonies à partir des bactéries restantes. Les deux antibiotiques ont considérablement réduit le nombre de cellules vivantes.

Pour déterminer dans quelle mesure la technique pourrait être utile, d'autres études seront nécessaires en utilisant un certain nombre d'espèces bactériennes et d'antibiotiques qui fonctionnent de différentes manières. Des chercheurs du NIST ont obtenu un brevet sur la technique :RESONATOR AND PROCESS FOR PERFORMING BIOLOGICAL ASSAY, Brevet américain n° 9, 725, 752, émis le 8 août 2017.