Mikrofluidyczne układy kroplowe

Mikrofluidyczne układy kroplowe pozwalają na manipulowanie małymi objętościami cieczy o dwóch niemieszających się fazach, np. wody i oleju. W efekcie powstaje mały reaktor, w którym można przeprowadzać i obserwować w czasie reakcję chemiczną lub proces biologiczny. Mikrokropelki mogą być mieszane, sortowane, inkubowane i analizowane. Operacje te mogą być wykonywane w specjalnie zaprojektowanych układach mikrofluidycznych, tworząc małe urządzenie typu „lab-on-a-chip”. Głównym celem naszych badań jest obserwacja zachowania klinicznie istotnych szczepów bakterii, w szczególności, jak reagują one na antybiotyki. Zastosowanie optyki i techniki laserowej w połączeniu z układami mikrofluidycznymi pozwala na znacznie szybsze przeprowadzanie eksperymentów.

Antybiotykooporność (antimicrobial resistance, AMR) jest jednym z najpilniejszych zagrożeń dla zdrowia na świecie. Występuje ona, gdy bakterie, wirusy, grzyby i pasożyty przekształcają się z czasem i nie reagują już na leki. W rezultacie antybiotyki lub inne leki przeciwdrobnoustrojowe stają się nieskuteczne i nie pozwalają leczyć chorób. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) uznała AMR za jedno z 10 największych zagrożeń dla zdrowia publicznego na świecie.

Monitorowanie zachowania bakterii, tj. ich wzrostu, jest trudnym i czasochłonnym zadaniem, szczególnie gdy musimy śledzić tysiące lub miliony powtórzeń eksperymentów. Metody optyczne w połączeniu z mikrofluidyką pozwalają nam rozwiązać ten problem. Możemy przesuwać krople przed wiązką lasera i analizować światło rozproszone na komórkach bakterii za pomocą specjalnie zaprojektowanych chipów. Intensywność rozproszonego światła jest związana z koncentracją bakterii w kroplach, a my możemy śledzić ją w czasie. Możemy monitorować ponad 1000 kropli na sekundę i analizować je za pomocą dedykowanego oprogramowania. Dodatkowo, możemy również uczynić system bardziej kompaktowym i łatwiejszym w użyciu poprzez zastosowanie optyki światłowodowej, zaproponowaliśmy układ, w którym specjalnie dobrane włókno optyczne jest wykorzystywane do zbierania światła rozproszonego na bakteriach [1].

Z drugiej strony, poważne, nie gojące się infekcje są jednak często wywoływane przez wiele patogenów lub warianty genetyczne tego samego patogenu wykazujące różne poziomy oporności na antybiotyki. Przykładowo, polimikrobowe zakażenia stopy cukrzycowej podwajają ryzyko amputacji w porównaniu z zakażeniami monomikrobowymi. Chociaż infekcje te prowadzą do zwiększonej zachorowalności i śmiertelności, standardowe metody oznaczania wrażliwości na środki przeciwdrobnoustrojowe są zaprojektowane dla jednorodnych próbek i nie sprawdzają się w ilościowym określaniu heterooporności. Proponujemy opartą na kroplach metodę do ilościowego określania odpowiedzi antybiotykowej całej populacji na poziomie pojedynczej komórki. Wykorzystaliśmy próbki Pseudomonas aeruginosa i Staphylococcus aureus, aby potwierdzić, że możemy uzskać informacje o współistnieniu różnych subpopulacji bakterii, ich wielkości i heterooporności na antybiotyki [2].

Autor: dr Jakub Bogusławski

Zespół:

dr Jakub Bogusławski jboguslawski@ichf.edu.pl

dr Kamil Liżewski klizewski@ichf.edu.pl

Prof. Maciej Wojtkowski mwojtkowski@ichf.edu.pl

Publikacje:

1. Natalia Pacocha, Jakub Bogusławski, Michał Horka, Karol Makuch, Kamil Liżewski, Maciej Wojtkowski, Piotr Garstecki, „High-Throughput Monitoring of Bacterial Cell Density in Nanoliter Droplets: Label-Free Detection of Unmodified Gram-Positive and Gram-Negative Bacteria,” Analytical Chemistry (2020).
2. Natalia Pacocha, Marta Zapotoczna, Karol Makuch, Jakub Bogusławski, Piotr Garstecki, “You will know by its tail: a method for quantification of heterogeneity of bacterial populations using single-cell MIC profiling,” Lab on a Chip 22, 4317-4326 (2022).