Un pico-calorimetru inovator detectează rezistența la antibiotice prin măsurarea directă a căldurii
Când celulele vii cresc, se divid sau răspund la medicamente, ele emit cantități minuscule de căldură care oferă informații despre activitatea acestora.
Deoarece aceste semnale de căldură sunt extrem de mici, măsurarea lor directă a fost, până acum, imposibilă. O echipă de cercetători de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) a dezvoltat un calorimetru – un dispozitiv care măsoară transferul de căldură dintre un sistem viu și mediul său – capabil să detecteze semnale metabolice de căldură de aproximativ 100 de pico-wati, adică trilionimi de watt, în celulele vii.
Dispozitivul este cel mai sensibil dintre toate bio-calorimetrele comparabile de până acum. Noul „pico-calorimetru” poate urmări metabolismul unor populații mici de bacterii în timp real și poate monitoriza modul în care creșterea bacteriană se modifică în răspuns la diferite antibiotice.
Cercetarea a fost realizată în laboratorul lui Joost Vlassak și a fost efectuată de asociatul Harvard Juanjuan Zheng, fost cercetător postdoctoral în laboratorul lui Vlassak. Rezultatele au fost publicate în Proceedings of the National Academy of Sciences.
În mod tradițional, biologii măsoară metabolismul celular prin calorimetrie indirectă, de exemplu, prin măsurarea consumului de oxigen sau a substanțelor chimice secundare. Spre deosebire de acestea, dispozitivul SEAS măsoară căldura în sine.
„Căldura este o măsură directă pentru metabolismul celular. Pe măsură ce celulele își desfășoară activitatea, observăm o creștere exponențială foarte frumoasă, în funcție de mediu”, a declarat Vlassak.
Dispozitivul constă din trei capilare microscopice din sticlă montate pe o membrană extrem de subțire, microprelucrată. O capilară conține probă biologică într-un mediu de creștere lichid, în timp ce celelalte două servesc ca referințe. Pe măsură ce celulele din probă cresc și consumă nutrienți, ele eliberează căldură, generând diferențe de temperatură minuscule între capilara de probă și cele de referință. O termopilă, sau convertor de căldură în electricitate, citește diferențele de temperatură.
Capilarele și senzorii sunt amplasați într-o cameră de vid pentru a menține o izolare termică. Această concepție îmbunătățește sensibilitatea cu un ordin de magnitudine în comparație cu versiunile anterioare ale pico-calorimetrului dezvoltate de Vlassak și colaboratorii săi. Versiunile anterioare constau în picături de lichid pe o membrană suspendată. Noul design microfluidic, etanșat în vid, face ca noii senzori să fie mai ușor de utilizat și mai robuști.
Echipa a demonstrat utilitatea dispozitivului urmărind creșterea bacteriilor E. coli, începând cu doar 30-40 de bacterii individuale. De asemenea, au demonstrat potențialul dispozitivului ca un instrument de detectare a rezistenței la antibiotice, explorând schimbările semnalelor calorimetrice care apar atunci când antibioticele sunt adăugate la o probă de bacterii. În lucrare, ei raportează măsurători ale creșterii E. coli în prezența a trei medicamente cu mecanisme de acțiune distincte: cloramfenicol, rifampicină și ampicilină.
Comparând urmele de căldură cu și fără antibiotice la diferite concentrații, echipa a arătat cum medicamentele alterează activitatea metabolică. Deoarece toate măsurătorile sunt directe, ele pot detecta modificări cu mult înainte de metodele standard bazate pe culturi.
Un alt caz de utilizare pe care echipa îl imaginează este pentru sepsis, unde pacienții bolnavi ar putea avea doar zeci de bacterii pe mililitru în sângele lor, a spus Vlassak. Datorită sensibilității sale ridicate, pico-calorimetrul ar putea, în principiu, să monitorizeze activitatea metabolică și răspunsul la medicamente al unor populații bacteriene la fel de mici în doar câteva ore, în loc să aștepte zile pentru formarea unor coloni mari.
„Cea mai interesantă parte a fost să vedem oameni din multe tipuri diferite de laboratoare de cercetare întrebând despre dispozitivul nostru”, a spus Zheng. „Este foarte dificil să măsurăm informații dinamice din sisteme vii mici. Cu această platformă, putem începe să monitorizăm viabilitatea celulară, rata de creștere, proliferarea și răspunsul la medicamente în timp real. Mai larg, ne oferă o evaluare funcțională timpurie a ceea ce face un sistem biologic – dacă crește, este stresat, răspunde la tratament sau își schimbă starea metabolică.”
Noul dispozitiv se bazează pe aproximativ două decenii de cercetare în micro- și pico-calorimetrie în grupul lui Vlassak. După ce s-a alăturat laboratorului în 2016, Zheng a dezvoltat inițial sisteme de nano-calorimetrie pentru studierea transformărilor de fază în aliaje cu memorie de formă și sticlă metalică. În timp, ea a început să lucreze la metode de calorimetrie ultra-sensibile pentru aplicații biologice, inclusiv măsurători ale căldurii metabolice în celule mari și embrioni în dezvoltare.
Zheng a co-fondat o companie din laboratorul lui Vlassak pentru a dezvolta instrumente bazate pe pico-calorimetrie, care transformă măsurarea căldurii într-o evaluare funcțională practică, în timp real și fără etichete pentru probe biologice mici, cu aplicații potențiale în cercetarea biologică, teste de răspuns la medicamente și evaluarea susceptibilității antimicrobiene. De asemenea, ea este un Fellow Activate, parte a unui program prestigios de burse care sprijină fondatorii din domeniul tehnologiei profunde în transformarea descoperirilor științifice în impact real.
