Seokheun “Sean” Choi, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, ha desarrollado un nuevo dispositivo para realizar pruebas más rápidas de bacterias resistentes a los antibióticos. Crédito: Seokheun “Sean” Choi
El método mide las transferencias de electrones que ocurren naturalmente.
Las infecciones bacterianas se han convertido en uno de los mayores problemas de salud en todo el mundo y un estudio reciente muestra que COVID-19 los pacientes tienen una probabilidad mucho mayor de adquirir infecciones bacterianas secundarias, lo que aumenta significativamente la tasa de mortalidad.
Sin embargo, combatir las infecciones no es una tarea fácil. Cuando los antibióticos se prescriben de manera descuidada y excesiva, eso conduce a la rápida aparición y propagación de genes resistentes a los antibióticos en las bacterias, creando un problema aún mayor. Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, cada año se producen 2,8 millones de infecciones resistentes a los antibióticos en los EE. UU. Y más de 35.000 personas mueren a causa de ellas.
Un factor que ralentiza la lucha contra las bacterias resistentes a los antibióticos es la cantidad de tiempo que se necesita para realizar la prueba. El método convencional utiliza bacterias extraídas de un paciente y compara cultivos de laboratorio cultivados con y sin antibióticos, pero los resultados pueden demorar de uno a dos días, lo que aumenta la tasa de mortalidad, la duración de la estadía en el hospital y el costo general de la atención.
El profesor asociado Seokheun “Sean” Choi, miembro del cuerpo docente del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson de la Universidad de Binghamton, está investigando una forma más rápida de analizar las bacterias para determinar la resistencia a los antibióticos.
“Para tratar eficazmente las infecciones, debemos seleccionar los antibióticos adecuados con la dosis exacta durante el período apropiado”, dijo. “Es necesario desarrollar un método de prueba de susceptibilidad a los antibióticos y ofrecer pautas eficaces para tratar estas infecciones”.
En los últimos años, Choi ha desarrollado varios proyectos que cruzan el “papertrónico” con la biología, como uno que desarrolló biobaterías utilizando sudor humano.
Esta nueva investigación, titulada “Un método simple, económico y rápido para evaluar la efectividad de los antibióticos contra bacterias exoelectrogénicas” y publicada en la edición de noviembre de la revista Biosensores y bioelectrónica – se basa en los mismos principios que las baterías: transferencia de electrones bacterianos, un proceso químico que utilizan ciertos microorganismos para el crecimiento, el mantenimiento general de las células y el intercambio de información con los microorganismos circundantes.
“Aprovechamos este evento bioquímico para una nueva técnica para evaluar la efectividad de los antibióticos contra las bacterias sin monitorear el crecimiento bacteriano completo”, dijo Choi. “Hasta donde yo sé, somos los primeros en demostrar esta técnica de una manera rápida y de alto rendimiento utilizando papel como sustrato”.
Trabajando con los estudiantes de doctorado Yang Gao (quien obtuvo su título en mayo y ahora trabaja como investigador postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin), Jihyun Ryu y Lin Liu, Choi desarrolló un dispositivo de prueba que monitorea continuamente la transferencia de electrones extracelulares de las bacterias.
Un equipo médico extraería una muestra de un paciente, inocularía la bacteria con varios antibióticos durante unas horas y luego mediría la tasa de transferencia de electrones. Una tasa más baja significaría que los antibióticos están funcionando.
“La hipótesis es que la exposición al antiviral podría causar una inhibición suficiente de la transferencia de electrones bacterianos, por lo que la lectura del dispositivo sería lo suficientemente sensible como para mostrar pequeñas variaciones en la salida eléctrica causadas por cambios en la eficacia de los antibióticos”, dijo Choi.
El dispositivo podría proporcionar resultados sobre la resistencia a los antibióticos en solo cinco horas, lo que serviría como una importante herramienta de diagnóstico en el punto de atención, especialmente en áreas con recursos limitados.
El prototipo, construido en parte con fondos de la National Science Foundation y la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., Tiene ocho sensores impresos en su superficie de papel, pero eso podría extenderse a 64 o 96 sensores si los profesionales médicos quisieran construir otras pruebas en el dispositivo.
Basándose en esta investigación, Choi ya sabe adónde les gustaría ir a él y a sus estudiantes: “Aunque muchas bacterias producen energía, algunos patógenos no realizan transferencias de electrones extracelulares y es posible que no se utilicen directamente en nuestra plataforma. Sin embargo, varios compuestos químicos pueden ayudar a la transferencia de electrones de bacterias que no producen electricidad.
“Por ejemplo, E. coli no puede transferir electrones desde el interior de la célula al exterior, pero con la adición de algunos compuestos químicos, pueden generar electricidad. Ahora estamos trabajando en cómo hacer que esta técnica sea generalizada para todas las células bacterianas “.
Referencia: “Un método simple, económico y rápido para evaluar la eficacia de los antibióticos contra bacterias exoelectrogénicas” por lYang Gao, Jihyun Ryu, Lin Liu y Seokheun Choi, 20 de agosto de 2020, Biosensores y bioelectrónica.
DOI: 10.1016 / j.bios.2020.112518
