Test oddechowy jako szybkie narzędzie diagnostyczne zakażeń bakteryjnych

Choroby zakaźne pozostają jedną z głównych przyczyn zgonów na świecie, a diagnostyka zakażeń bakteryjnych nadal stanowi istotne wyzwanie kliniczne. Problem ten nabiera szczególnego znaczenia w kontekście narastającej oporności bakterii na antybiotyki. Nowe badania opublikowane w ACS Central Science wskazują jednak, że możliwe jest szybkie, nieinwazyjne rozpoznawanie zakażeń bakteryjnych przy użyciu testów oddechowych. Wstępne eksperymenty przeprowadzone na modelach zwierzęcych wykazały skuteczność tej metody w przypadku zapalenia płuc oraz zakażeń krwi, mięśni i kości.

„Projektując to badanie, inspirowaliśmy się rosnącym trendem w praktyce klinicznej, w którym zarówno pacjenci, jak i lekarze oczekują natychmiastowych odpowiedzi umożliwiających podejmowanie decyzji terapeutycznych” – podkreśla David Wilson, współautor pracy. „Jeśli pacjent trafia na Szpitalny Oddział Ratunkowy lub do oddziału ostrej opieki, chcielibyśmy, aby możliwe było jak najszybsze rozpoznanie ostrego zakażenia bakteryjnego.”

Ograniczenia obecnych metod diagnostycznych

Obecnie identyfikacja przyczyny zakażeń opiera się na badaniach krwi, diagnostyce obrazowej, hodowlach mikrobiologicznych oraz metodach molekularnych. Każda z tych technik ma jednak istotne ograniczenia – są czasochłonne, często mało swoiste lub kosztowne. W efekcie decyzje terapeutyczne bywają opóźnione lub podejmowane empirycznie.

Inspiracją dla nowych rozwiązań stał się znany od lat test oddechowy w kierunku Helicobacter pylori. W jego klasycznej formie pacjent przyjmuje substancję znakowaną izotopowo, metabolizowaną przez bakterie, a następnie w wydychanym powietrzu oznacza się znakowany dwutlenek węgla, co pozwala potwierdzić zakażenie.

Mechanizm działania nowej technologii

Zespół badawczy, w skład którego weszli David Wilson, Kiel Neumann, Marina López-Álvarez i współpracownicy, rozszerzył tę koncepcję na szersze spektrum patogenów bakteryjnych. W opracowanym prototypie wykorzystano cukry oraz alkohole cukrowe znakowane izotopem węgla-13. Związki te są metabolizowane przez bakterie, podczas gdy komórki ludzkie w dużej mierze pozostają wobec nich obojętne metabolicznie.

W badaniach laboratoryjnych zidentyfikowano kilka takich związków, które bakterie przekształcają do dwutlenku węgla zawierającego węgiel-13. Następnie gaz ten analizowano przy użyciu nieskomplikowanej techniki – niedyspersyjnej spektroskopii w podczerwieni (NDIR), umożliwiającej szybki i precyzyjny pomiar.

Wyniki badań przedklinicznych

W modelach zwierzęcych wykazano, że po dożylnym podaniu znakowanych metabolitów u myszy z zakażeniami (m.in. zapaleniem płuc, zakażeniami kości, mięśni oraz bakteriemią) dochodziło do szybkiego wzrostu stężenia znakowanego dwutlenku węgla w wydychanym powietrzu. Co istotne, sygnał ten pojawiał się już w ciągu pierwszych 10 minut od podania związku i pobrania próbki oddechu.

W przeciwieństwie do tego, u zdrowych zwierząt poziom węgla-13 w wydychanym powietrzu był minimalny lub niewykrywalny, co wskazuje na wysoką swoistość metody.

Monitorowanie skuteczności leczenia

W modelu zakażenia Escherichia coli zaobserwowano, że ilość znakowanego dwutlenku węgla w wydychanym powietrzu zmniejszała się wraz ze spadkiem liczby bakterii podczas leczenia antybiotykami. Sugeruje to, że metoda ta może znaleźć zastosowanie nie tylko w diagnostyce, ale również w monitorowaniu skuteczności terapii przeciwdrobnoustrojowej.

Potencjał kliniczny i przyszłe zastosowania

Testy oddechowe charakteryzują się istotnymi zaletami praktycznymi – aparatura jest przenośna, a wyniki dostępne w ciągu kilku minut od podania znakowanego substratu. Dodatkowo wykorzystane związki chemiczne uznawane są za bezpieczne dla ludzi, co zwiększa potencjał translacyjny tej technologii.

Autorzy badania podkreślają, że choć protokół nie został jeszcze zoptymalizowany dla zastosowań klinicznych, opracowana metoda może w przyszłości stać się ważnym narzędziem w szybkim rozpoznawaniu zakażeń bakteryjnych, szczególnie w warunkach oddziałów ratunkowych i intensywnej terapii.

Badania zostały sfinansowane przez National Institutes of Health oraz Cystic Fibrosis Foundation. Finansowanie ze strony Cystic Fibrosis Foundation najpewniej wynikało z potencjalnego zastosowania tej technologii u chorych na mukowiscydozę, u których szybkie i nieinwazyjne wykrywanie zakażeń bakteryjnych dróg oddechowych ma szczególne znaczenie kliniczne. Fundacja od lat wspiera projekty dotyczące diagnostyki i monitorowania infekcji płucnych w CF, w tym także rozwój testów oddechowych ukierunkowanych na wykrywanie Pseudomonas aeruginosa.

Autorzy zgłosili również wniosek patentowy w Stanach Zjednoczonych dotyczący opisywanej technologii.

Źródło: ACS Central Science, Prototype breath tests spot bacterial infections in minutes
DOI: http://dx.doi.org/10.1021/acscentsci.5c01995