Ultra rapid antibiotic susceptibility determination
- Reference number
- ARC19-0016
- Project leader
- Andersson, Dan
- Start and end dates
- 200801-251231
- Amount granted
- 50 000 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Life Sciences
Summary
Antibiotic resistance is a global health problem caused by the use and misuse of antibiotics. To improve treatment efficacy, reduce resistance development and prolong the lifespan of existing and future antibiotics they must be used only for bacterial infections and when the bacterium is antibiotic susceptible. This will require rapid and reliable diagnostics to identify the bacteria and their resistance profile—the focus of this research. We will develop an antibiotic susceptibility testing (AST) method where bacteria are captured directly from samples in a microfluidic chip and their individual growth rates are monitored using microscopy. By averaging the growth rate to an antibiotic over many individual cells, the detection time of susceptible vs. resistant is reduced to the biological response time of the bacteria. By developing the microfluidics-microscopy approach, apply new species identification (ID) methods based on AI and advanced imaging and in situ sequencing methods, we will generate a general methodology for combined AST and ID, where the time from sample to answer is 1-4 hours. Expected outcomes are: (i) A reduction in patient/animal morbidity and mortality. (ii) A reduction in antibiotic use, less resistance development and prolonged clinical lifespan of antibiotics. (iii) Reduced costs and increased likelihood of success in clinical trials of new antibiotics. (iv) Education of a generation of young researchers specialized in diagnostics of infections.
Popular science description
Antibiotika (ämnen som dödar/stoppar bakteriers tillväxt) är den viktigaste medicinska landvinning som gjorts. Antibiotikabehandling revolutionerade sjukvården och resulterade i att bakteriella infektioner som t.ex. lunginflammation och blodförgiftning, vilka tidigare var vanliga orsaker till svår sjukdom och död, nu bokstavligen kunde botas från en dag till nästa. Effektiv antibiotikabehandling är också en helt nödvändig förutsättning för modern sjukvård vid t.ex. kirurgiska ingrepp, transplantationer, cancerbehandling, brännskade- och neonatalvård. Tyvärr har bakterierna under de ca 80 år som vi använt antibiotika blivit motståndskraftigare mot dessa preparat, vilket lett till ökande sjukdom, dödlighet och kostnader för samhället. Antibiotikaresistens är ett globalt hälsoproblem orsakat av både över- och felaktig användning av antibiotika. För att förlänga livstiden av existerande och nya antibiotika så måste de användas på ett rationellt sätt, dvs bara för bakteriella infektioner och när bakterierna är känsliga mot antibiotikat, både för att reducera resistensutvecklingen och öka behandlingseffektiviteten. Detta kräver snabba och pålitliga diagnostikmetoder—vilket är vad vi fokuserar på i detta forskningsprogram. Vi kommer att utveckla en metod för att mäta antibiotikakänslighet där bakterier fångas upp från ett prov (t.ex. ett urin- eller blodprov) i en mikrofluidik-kammare och tillväxten av enskilda celler mäts med mikroskåp i frånvaro och närvaro av antibiotika. Om bakterierna slutar växa i närvaro av antibiotika är de känsliga och om de fortsätter växa är de resistenta. Genom att mäta den genomsnittliga tillväxthastigheten av många enskilda celler kan tiden det tar för att skilja en resistent och känslig cell reduceras till 30 min. Vi kommer att utveckla metoden och kombinera detta med artidentifering baserad på artificiell intelligens, avancerad bildanalys samt in situ DNA-sekvenseringsmetoder för att uppnå en generell metod för att bestämma resistensprofil samt vilken bakterieart som orsakat infektionen där tiden från prov till svar är 1-4 timmar. Vi förväntar oss att uppnå det följande med detta projekt: (i) Minskad sjuklighet och dödlighet i infektioner hos människor och djur. (ii) Minskad antibiotikaanvändning, resistensutveckling och förlängd livstid av antibiotika. (iii) Förbättrade kliniska prövningar med minskade kostnader. (iv) Utbildning av en ny generation av unga forskare specialiserade på diagnostik av bakterieinfektioner.