I ricercatori dell’Università del Colorado Boulder hanno sviluppato un nuovo modo di contare i microrganismi che funziona fino a 36 volte più velocemente dei metodi convenzionali, riduce l’uso di plastica di oltre 15 volte e diminuisce sostanzialmente i costi e l’impronta di carbonio della ricerca biomedica.
La tecnica, descritta il 30 ottobre nella rivista Microbiologia della naturapotrebbe rivoluzionare il modo in cui vengono condotti gli esperimenti microbiologici in tutto il mondo, consentendo ai medici di diagnosticare e curare le infezioni più rapidamente e ai ricercatori di testare potenziali nuovi antibiotici in una frazione del tempo.
L’invenzione arriva mentre cresce la preoccupazione per la resistenza agli antibiotici in tutto il mondo, con batteri resistenti ai farmaci che contribuiscono a quasi 5 milioni di morti a livello globale nel 2019.
“Siamo nel mezzo di una pandemia silenziosa di resistenza antimicrobica e c’è un urgente bisogno di accelerare la scoperta di nuovi antibiotici”, ha affermato l’autore senior Anushree Chatterjee, professore associato di ingegneria chimica e biologica alla CU Boulder. “Crediamo che questo nuovo metodo possa fare questo e molto altro ancora.”
Un nuovo modo di riempire la pipeline
Dal 1938, i microbiologi hanno utilizzato un metodo semplice, il test delle unità formanti colonie (CFU), per contare le cellule batteriche in un campione. Iniziano diluendo il campione in 8-10 diverse concentrazioni, mettono le gocce di ciascuna in piastre di Petri piene di cibo per batteri, aspettano ore o giorni affinché si formino singole colonie e le contano. Se si testa una nuova molecola per vedere quanto bene può uccidere i batteri, lo aggiungono per vedere quanti batteri sopravvivono.
Il processo è notoriamente laborioso e dispendioso e spesso richiede ore per valutare un piccolo campione e produrre cumuli di plastica scartata.
Poiché ci vuole così tanto tempo e costa così tanto, i ricercatori devono essere selettivi su quali potenziali nuovi farmaci o combinazioni testare, quindi sono scoraggiati dal correre rischi, ha detto Chatterjee.
Questa equazione tra costi elevati e basso profitto ha portato le aziende farmaceutiche a evitare lo sviluppo di nuovi antibiotici.
“Abbiamo praticamente esaurito gli antibiotici”, ha detto Chatterjee, sottolineando che molti agenti patogeni ampiamente circolanti – tra cui Staphylococcus aureas (stafilococco) e Neisseria gonorrhoeae (Gonorrea) – sono ora resistenti alla maggior parte dei farmaci progettati per curarli.
“Per avere una pipeline sostenibile di nuove opzioni, dobbiamo cambiare radicalmente il modo in cui viene effettuata la scoperta”, ha affermato Chatterjee.
Matematica invece che plastica
Il nuovo metodo, noto come Geometric Viability Assay (GVA), sostituisce l’arduo processo in più fasi delle diluizioni manuali con un processo in un’unica fase, basato su geometria e matematica semplici.
“Stiamo utilizzando lo stesso tipo di matematica che può aiutare gli studenti a stimare il numero di M&M’s in un barattolo”, ha affermato il primo autore Christian Meyer, ricercatore post-dottorato nei dipartimenti di Biologia Molecolare, Cellulare e dello Sviluppo e di Ingegneria Chimica e Biologica. “Invece di contare tutte le M&M’s individualmente, uno studente intelligente potrebbe contare lo strato inferiore e poi moltiplicarlo per l’altezza.”
Allo stesso modo, invece di dividere manualmente i campioni in numerosi sottocampioni per facilitare il conteggio delle colonie, GVA conta le colonie in un unico punto, all’interno di una porzione del cono di un singolo puntale di pipetta, quindi utilizza la moltiplicazione per calcolare la concentrazione totale.
Per fare ciò, gli scienziati inseriscono i campioni in un gel all’interno del cono, nel quale si formano le colonie. Quando è il momento di contare, possono utilizzare varie tecniche – comprese quelle che implicano scattare una foto o utilizzare un righello di carta – per misurare accuratamente campioni contenenti da uno a 1 miliardo di microbi.
“Non implica matematica che uno studente di calcolo delle scuole superiori non potrebbe eseguire”, ha detto Meyer. Ma potrebbe avere un grande impatto.
Più veloce, più economico, più ecologico
Nei test di laboratorio che misuravano batteri comuni come Escherichia coli (E. coli) e Salmonella enterica, i ricercatori hanno scoperto che mentre la preparazione di 96 campioni richiedeva tre ore con i metodi classici, GVA impiegava 5 minuti: un risparmio di tempo 36 volte maggiore. Anche se confrontato con un metodo più moderno che coinvolge la robotica, GVA era ancora nove volte più veloce e utilizzava un decimo della plastica.
Utilizzando la GVA, un singolo ricercatore potrebbe misurare con precisione la concentrazione microbica di 1.200 campioni in un solo giorno.
In definitiva, Chatterjee ritiene che il metodo potrebbe anche consentire ai medici di diagnosticare l’infezione e trovare più rapidamente l’antibiotico giusto per tale infezione.
“Invece di lasciare qualcuno in ospedale per tre giorni per capire a cosa è sensibile quel particolare batterio, un giorno potremmo potenzialmente sapere da un giorno all’altro quale potrebbe essere l’antibiotico giusto”, ha detto, sottolineando che sono necessarie ulteriori ricerche per avanzare verso il farmaco. fase clinica. Meyer ha inventato la tecnica con Joel Kralj, ex professore assistente presso il BioFrontiers Institute. I due stanno lavorando con Venture Partners e hanno depositato un brevetto provvisorio.
Il gruppo di ricerca ha anche creato un sito web e sta ora lavorando per sviluppare una versione per smartphone che gli scienziati e il pubblico in generale possano utilizzare.
“Qualcuno saggio una volta disse che la punteggiatura corretta per un progresso scientifico non è un punto esclamativo, ma un punto e virgola”, ha detto Meyer. “In questo spirito, mentre siamo entusiasti di far parte del processo di reinventazione di una tecnica fondamentale della microbiologia, siamo ancora più entusiasti di ciò che verrà dopo.”
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