Спиннер превратили в экспресс-тест для диагностики инфекций мочевых путей

Ученые создали экспресс-тест для диагностики инфекций урогенитального тракта, напоминающий спиннер — для работы теста его в буквальном смысле нужно крутить так же, как и обычный спиннер. Разработка описана в статье, опубликованной в журнале Nature Biomedical Engineering. Пока что тест использовался только с одним из штаммов кишечной палочки.

По данным ВОЗ, инфекции мочевыводящих путей занимают второе место по распространенности после воспалительных заболеваний верхних дыхательных путей. Из-за анатомических особенностей (широкий и короткий мочеиспускательный канал) от этих инфекций чаще страдают женщины — считается, что до 32 лет каждая вторая женщина переносит ту или иную форму этой инфекции. Лечение этих болезней стоит системам здравоохранения миллионы долларов, а пациенты при этом зачастую плохо выполняют рекомендации врачей. Это связано со многими причинами, среди которых можно выделить длительную диагностику инфекции и быстрое развитие бессимптомного хронического процесса на фоне нерациональной антибиотикотерапии.

При лечении инфекций мочевыводящих путей врачи назначают антибиотики широкого спектра действия, которые способны убивать сразу несколько видов бактерий. Такой подход применяют, чтобы снять острые симптомы инфекции и ускорить выздоровление. Например, при пиелонефрите, который сопровождается болью в поясничной области и высокой температурой, назначают антибиотики, активные против кишечной палочки (E. coli), так как именно эта бактерия чаще всего вызывает данные заболевания. С одной стороны, это позволяет облегчить состояние пациента, а с другой — растет риск ухудшения состояния пациента или выработки резистентности, если болезнь вызвана другим микроорганизмом. Но врачи идут на этот риск, так как отсутствие лечения в течение 2-3 дней, которые требуются для исследования резистентности микроорганизма к антибиотикам, при острой инфекции грозит осложнениями. 

Следовательно, для повышения качества лечения нужен более быстрый способ исследования микроорганизма. На сегодняшний день стандартный метод диагностики инфекций мочевыводящих путей — обнаружение бактерий в моче пациента с дальнейшим бактериологическим культуральным методом, при котором образец мочи высевается на питательную среду. Это исследование требует много времени (те самые 2-3 дня), ресурсов (лабораторное оборудование) и трудовых затрат. Проводить такой анализ в первичных учреждениях здравоохранения не представляется возможным, особенно в странах с развивающейся экономикой.

Группа исследователей под руководством Айзека Майкла (Issac Michael) из Национального института науки и технологий города Ульсан создала дешевое и простое в использовании устройство, позволяющее обнаружить бактериальные клетки в образце мочи. Результат теста будет доступен через 50 минут, а если потратить еще 70 минут, то можно исследовать резистентность штамма к антибиотикам. Тест-система занимает не больше места, чем обычный спиннер (и вращается так же) и доступна для применения в амбулаторных условиях.

Тест-система представляет собой пластиковую пластину с шарниром посередине. Сбоку от шарнира располагается углубление с отверстием — именно сюда вводятся образцы мочи (один миллилитр). Еще ближе к краю располагается мембрана фильтра (белые кружки). Между углублением и мембраной находится пробоотборная камера, через которую в фильтр попадает образец мочи. С помощью центробежной силы, вызываемой вращением, и специального буферного раствора бактерии распределяются по мембране фильтра равномерно, что позволяет отфильтровать их от мочи, распределить их ровным тонким слоем и сохранить при этом исходную концентрацию микроорганизмов. Для достижения необходимого эффекта необходимо два раза запустить пальцем вращение системы вокруг шарнира.

После фильтрации в систему добавляется раствор с химическим веществом WST-8 (тетразолиевым красителем). При его взаимодействии с ферментами дыхательной цепи, которая располагается у бактерий прямо на мембране клетки, происходит восстановление красителя с образованием формазамов (производных муравьиной кислоты), имеющих оранжевый цвет.

Чем выше концентрация микроорганизма в образце, тем насыщеннее будет цвет. Чтобы получить достоверный результат, устройство необходимо поместить в инкубационный шкаф на 45 минут при температуре 37 градусов Цельсия. Так, тест становится ярко-оранжевым при концентрации бактерий 10⁶ мл^-1, что позволяет рассчитать дозу антибиотика и сделать прогноз.

Чтобы узнать, резистентен ли штамм к антибиотику, можно использовать вторую половину пластины, на которой симметрично расположены выше описанные элементы. Для этого новый образец мочи смешивают с исследуемым антибиотиком и оставляют на двадцать минут. Получившуюся смесь вводят в устройство, фильтруют ее с помощью вращения, добавляют WST-8 и проводят инкубацию при аналогичных условиях. Если микроорганизм резистентен к антибиотику, будет такая же картина, как и при первом обнаружении — оранжевый цвет индикатора при соответствующей концентрации. Если штамм восприимчив к антибиотику и бактерии погибают, то их концентрация снижается, и это видно по отсутствию окрашивания — мембрана фильтра останется белой.

Ученые исследовали образцы мочи, в которых обнаружена кишечная палочка. Образцы взяли у 39 пациентов с различными формами инфекции мочевыводящих путей. Контроль детекции (обнаружения) и концентрации бактерий проводили в сравнении с бактериологическим методом. При проведении бактериологического исследования диагноз подтвердился (концентрация бактерий > 10³ мл^-1) у 41 процента пациентов. При использовании новой тест-системы этот показатель составил 46 процентов. При подробном изучении ученые выявили два ложноположительных результата, связанных с реакцией индикатора с большим количеством (более 15 в поле зрения) эритроцитов у одного пациента и лейкоцитов у другого. Это ограничивает использование нового метода для пациентов с высокими показателями эритроцитов и лейкоцитов в моче.

Таким образом, вместо одного-двух дней на выращивание культуры и еще одного-двух дней для определения чувствительности штамма к различным антибиотикам, требуется пара часов для точной диагностики инфекции. Всё это в перспективе позволит врачам улучшить стандарты оказания помощи в данном направлении и снизить процент неправильного применения антибиотиков. Анализ с использованием новой тест-системы значительно дешевле классического бактериологического анализа (точную стоимость авторы не называют) и не требует дополнительных ресурсов, кроме инкубационного шкафа, что позволяет использовать его при ограниченных ресурсах. Авторы отмечают, что тест не направлен на идентификацию возбудителя. Он помогает определить концентрацию микроорганизмов для подтверждения диагноза и изучить резистентность штамма к антибиотику.

Система тестировалась только на кишечной палочке. Необходимы дополнительные исследования с другими распространенными возбудителями инфекций мочевыводящих путей (Klebsiella pneumoniae и Proteus mirabilis).

Ранее мы рассказывали про дистанционную диагностику заболеваний, передающихся половым путем, которая оказалась привлекательнее для пациентов, чем личное посещение клиники, что сказалось на показателях лечения этих заболеваний.

Вячеслав Гоменюк