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Biosensore microfluidico monitora livelli di antibiotici tramite respiro

Un biosensore per rilevare il livello di antibiotici nel corpo umano è stato sviluppato per la prima volta da un team di scienziati dell’Università di Friburgo. Il sensore è stato testato su modelli animali tramite campioni di sangue, di saliva, di urina e finanche del respiro. La novità introdotta con questo biosensore è la capacità di rilevare livelli di antibiotici tramite il respiro.

Categorie Innovazione · Medicina

Lo sviluppo e l’impiego degli antibiotici, a partire dalla seconda metà del XX secolo, ha rivoluzionato l’approccio al trattamento e alla prevenzione delle malattie infettive e delle infezioni permettendo l’evoluzione della medicina moderna. Tuttavia, la comparsa di resistenza agli antibiotici rischia di rendere vane queste conquiste. Un biosensore potrebbe aiutare a monitorare i livelli di antibiotici.

Rischiamo di perdere il potere degli antibiotici, poiché il tasso di resistenza agli antibiotici sta salendo a livelli pericolosi. Gli agenti di nuova concezione stanno diventando inefficaci molto più rapidamente che nei decenni precedenti, mentre la celerità delle nostre nuove invenzioni resta indietro in modo allarmante. Questo collo di bottiglia impone la rivalutazione della nostra strategia di battaglia su come utilizziamo gli antibiotici esistenti.

Quali sono i rischi dell’antibiotico-resistenza?

biosensore antibiotici

Negli ultimi anni, il fenomeno dell’antibiotico-resistenza (AMR, Antimicrobial resistance) è aumentato notevolmente e ha reso necessaria una valutazione dell’impatto in sanità pubblica. L’uso continuo degli antibiotici aumenta la pressione selettiva favorendo l’emergere, la moltiplicazione e la diffusione dei ceppi resistenti.

Inoltre, la comparsa di patogeni resistenti contemporaneamente a più antibiotici (multidrug-resistance) riduce ulteriormente la possibilità di un trattamento efficace. In particolare, i batteri resistenti agli antibiotici di ultima linea limitano fortemente le opzioni di trattamento per i pazienti infetti. Questi batteri possono addirittura diventare resistenti a tutti gli antibiotici esistenti, con la conseguente assenza di terapia efficace per l’eventuale paziente.

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Monitoraggio di farmaci terapeutici (TDM)

La terapia antibiotica personalizzata garantisce che la concentrazione di antibiotico rimanga nella finestra terapeutica ottimale per massimizzare l’efficacia, ridurre al minimo gli effetti collaterali ed evitare l’insorgere di resistenza ai farmaci a causa di un dosaggio insufficiente. 

I medici hanno bisogno di mantenere il livello di antibiotici entro un intervallo terapeutico personalizzato per i pazienti che soffrono di infezioni gravi, a rischio di minacce come sepsi e insufficienza d’organo o addirittura la morte del paziente. Una somministrazione inadeguata di antibiotici potrebbe permettere ai batteri di mutare in modo che le medicine non funzionino più.

Il successo dell’antibioterapia dipende fortemente dalla capacità di mantenere le concentrazioni di antibiotico entro intervalli terapeutici adeguati a rispondere alla farmacocinetica/farmacodinamica (PK/PD) unica del paziente.

Tuttavia, tali schemi individualizzati richiedono un campionamento frequente per adattare le concentrazioni di antibiotici nel sangue. Questo processo richiede un ciclo di controllo del feedback, portando un onere molto maggiore per il laboratorio clinico perché i campioni devono essere analizzati più frequentemente per adattare sia i modelli PK/PD che i bersagli terapeutici.

Questo approccio è però poco pratico considerando i costi e le risorse associati alla raccolta, al trasporto, all’elaborazione e all’analisi del sangue per il TDM personalizzato. Recenti studi sul sangue si stanno concentrando sui modi per alleviare questi problemi diminuendo il volume del campione ed eliminando la necessità di attrezzature e competenze costose.

Biosensore microfluidico per rilevare il livello di antibiotici nel corpo umano

Un biosensore per rilevare il livello di antibiotici nel corpo umano è stato sviluppato da un team di ingegneri e biotecnologi dell’Università di Friburgo. Il sensore è stato testato su modelli animali tramite campioni di sangue, di saliva, di urina e finanche del respiro.

Il rilevamento dei livelli di antibiotici tramite il respiro è la novità di questo biosensore.  Il respiro potrebbe essere una potenziale alternativa per aggirare i problemi relativi al trasporto, poiché il trasporto sangue-respiro è relativamente diretto rispetto agli altri campioni non invasivi. Il sensore sviluppato dal gruppo di ricerca è basato su proteine sintetiche che reagiscono agli antibiotici e generano così un cambiamento di corrente.

I ricercatori hanno testato il biosensore su campioni di sangue, plasma, urina, saliva e respiro di maiali che avevano ricevuto antibiotici. Sono stati in grado di dimostrare che il risultato ottenuto con i biosensori nel plasma dei maiali era accurato quanto il processo standard del laboratorio medico. In precedenza, la misurazione dei livelli di antibiotici in campioni di respiro esalato non era possibile.

Finora i ricercatori potevano solo rilevare tracce di antibiotici nel respiro. Con le nostre proteine sintetiche su un chip microfluidico, possiamo determinare le più piccole concentrazioni nel condensato del respiro e sono correlate ai valori del sangue.

Spiega il Dr. Can Dincer, coordinatore del gruppo di ricerca

Il funzionamento del biosensore che monitora il livello di antibiotici

Il biosensore microfluidico trasporta proteine che possono riconoscere gli antibiotici beta-lattamici come la penicillina, apposto su una pellicola polimerica. L’antibiotico di interesse nel campione e un beta-lattamico accoppiato ad un enzima sono in competizione per legare queste proteine batteriche. Questa competizione genera un cambiamento di corrente, come in una batteria: più antibiotico è presente nel campione, meno prodotto enzimatico si sviluppa, il che porta a una corrente inferiore misurabile. Il processo si basa su una proteina recettore naturale che i batteri resistenti utilizzano per rilevare gli antibiotici che li minacciano.

biosensore antibiotici
Utilizzo del biosensore microfluidico proposto con lo scenario previsto. Credits: Onlinelibrary

Si potrebbe dire che stiamo battendo i batteri al loro stesso gioco

Prof. Dr. Wilfried Weber, professore di biologia sintetica e membro del team

L’impatto che questo biosensore avrà sul futuro

Il monitoraggio rapido dei livelli di antibiotici sarebbe un vantaggio fondamentale in ospedale. Il sensore aiuterà a mantenere stabile il livello di antibiotici nei malati gravi. L’uso prudente di antibiotici è il punto chiave per prevenire l’insorgere e la diffusione della resistenza. Promuovere lo sviluppo di nuovi antibiotici con nuovi meccanismi d’azione è essenziale, poiché la resistenza si sviluppa comunque inevitabilmente nel tempo. Sostenere ricerca e innovazione rimane tra le strategie più efficaci per affrontare la resistenza agli antibiotici, ed è qui che si colloca lo sviluppo di questo biosensore.