Optofluidic microsystem for antibiotic susceptibility testing

Nosokomiale Infektionen mit antimikrobiell resistenten Bakterien sind auf dem Vormarsch und selbst Reserveantibiotika verlieren ihre Wirksamkeit. Bei einer bakteriellen Infektion mit dem Risiko einer Sepsis müssen schnell die am besten geeigneten Antibiotika verordnet werden. Unwirksame Antibiotika gefährden das Leben der Patienten, unnötig verabreichte Antibiotika wiederum gefährden deren langfristige Wirksamkeit. Dies würde viele heute routinemäßig durchgeführte Operationen und Therapien unmöglich machen. Derzeit erfolgt die Durchführung des Nachweises von Antibiotikaresistenzen oft außerhalb des Krankenhauses und dauert zu lange. Schnelle Point-of-Care-Tests werden deswegen benötigt, um eine rechtzeitige Medikation mit wirksamen Antibiotika zu erreichen. Dies könnte mit phänotypischen mikrofluidischen Diagnoseverfahren erreicht werden, die markierungsfrei arbeiten. In dieser Arbeit
werden verschiedene Ansätze zur bakteriellen Immobilisierung und anschließenden Wachstumsdetektion untersucht. Zunächst wird ein membranbasierter Ansatz untersucht. Anschließend wird eine Kreuzfluss-Immobilisierung an einem
Nanospalt untersucht. Danach wird dieses Immobilisierungsprinzip mit einem asymmetrischen Beugungsgitter kombiniert, um die Bakterien zu konzentrieren und ihr Wachstum markierungsfrei unter dem Einfluss von Antibiotika zu
untersuchen. Ergebnisse von CFD-Simulationen der Kreuzfluss-Immobilisierung zeigen, dass die auftretende Schubspannung in den Systemen etwa halb so groß ist, wie die als wachstumslimitierend für E. coli-Zellen in der Literatur berichteten Spannungen. Das vorgestellte interferometrische Messprinzip den Nachweis des Bakterienwachstums in weniger als 4 h bei einer Verdopplungszeit von 79 min und Probenvolumina von 187.2μL und erlaubte auch die markierungsfreie Beobachtung des Einflusses der applizierten Antibiotika auf das  Wachstumsverhalten.
Zur Vervollständigung dieses Konzepts wird eine Optimierung der Herstellungskosten
mikrofluidischer Systeme mit der Zwei-Photonen-Polymerisation
und anschließender Replikation für deren breite Anwendung untersucht.