Bacteriën detecteren met fluorescerende nanosensoren

Onderzoekers uit Bochum, Göttingen, Duisburg en Keulen hebben een nieuwe methode ontwikkeld om bacteriën en infecties op te sporen. Ze gebruiken fluorescerende nanosensoren om ziekteverwekkers sneller en gemakkelijker op te sporen dan met gevestigde methoden. Een team onder leiding van professor Sebastian Kruß, voorheen aan de Universiteit van Göttingen, nu aan de Ruhr-Universität Bochum (RUB), beschrijft de resultaten in het tijdschrift Nature Communications, online gepubliceerd op 25 november 2020.

Bij traditionele methoden om bacteriën te detecteren, moeten weefselmonsters worden genomen en geanalyseerd. Sebastian Kruß en zijn team hopen de noodzaak om monsters te nemen te elimineren door kleine optische sensoren te gebruiken om pathogenen direct op de infectieplaats te visualiseren.

Fluorescentie verandert in aanwezigheid van bacteriële moleculen

De sensoren zijn gebaseerd op gemodificeerde koolstofnanobuisjes met een diameter van minder dan één nanometer. Als ze worden bestraald met zichtbaar licht, zenden ze licht uit in het nabij-infraroodbereik (golflengte van 1000 nanometer en meer), dat niet zichtbaar is voor mensen. Het fluorescentiegedrag verandert wanneer de nanobuisjes in botsing komen met bepaalde moleculen in hun omgeving. Omdat bacteriën een karakteristieke mix van moleculen uitscheiden, kan het licht dat door de sensoren wordt uitgezonden dus wijzen op de aanwezigheid van bepaalde pathogenen. In de huidige paper beschrijft het onderzoeksteam sensoren die schadelijke pathogenen detecteren en onderscheiden die worden geassocieerd met bijvoorbeeld implantaatinfecties.

“Het feit dat de sensoren in het nabij-infraroodbereik werken, is met name relevant voor optische beeldvorming, omdat er in dit bereik veel minder achtergrondsignalen zijn die de resultaten kunnen beschadigen”, zegt Sebastian Kruß, hoofd van de Functional Interfaces and Biosystems Group bij RUB en is lid van het Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (Resolv). Omdat licht van deze golflengte dieper in het menselijk weefsel doordringt dan zichtbaar licht, kunnen bacteriesensoren zelfs onder wondverbanden of op implantaten worden uitgelezen.

Extra toepassingsgebieden zijn denkbaar

“In de toekomst zou dit de basis kunnen vormen voor optische detectie van infecties op intelligente implantaten, aangezien bemonstering niet langer nodig zou zijn. Op die manier kan het genezingsproces of een mogelijke infectie snel worden opgespoord, wat resulteert in een betere patiëntenzorg,” zegt Robert Nißler, hoofdauteur van de studie van de Universiteit van Göttingen. “De mogelijke toepassingsgebieden zijn hier niet toe beperkt”, voegt Kruß toe. “Een verbeterde snelle diagnose van bloedkweken in de context van sepsis is bijvoorbeeld ook denkbaar in de toekomst.”

Naast onderzoekers van Fysische Chemie II aan de Ruhr-Universität Bochum en het Instituut voor Fysische Chemie aan de Universiteit van Göttingen, waren er bij het onderzoek ook teams van de Medische Microbiologie van het Universitair Medisch Centrum Göttingen, het Universitair Ziekenhuis Keulen en het Fraunhofer Instituut voor Micro-elektronica betrokken. Circuits en systemen in Duisburg.