Формування антибіотикових градієнтів у масивах піколитрових капель для тестування антимікробної чутливості E. coli

Abstract

Оскільки резистентність до антибіотиків є постійно зростаючою загрозою для здоров’я населення, потрібні нові методи для ефективного й точного визначення ефективності антибіотиків. Використовуючи штам контролю якості E. coli, ця робота підтверджує застосовність нової мікрофлюїдної платформи для високопродуктивного та мультиплексного тестування чутливості бактерій до антибіотиків. За допомогою технології крапельного друку досягається зменшення об’єму тестових реакторів до 1 нл у матриці з приблизно 20000 лунок та високомасштабна паралелізація тестування. Експерименти з валідації демонструють порівняння зі стандартними методами, зосереджуючись на впливі об’єму культури, типу вимірювань і початковій кількості клітин. Було встановлено точні мінімальні інгібіторні концентрації відповідно до еталонного тестування: 0,0116 мкг/мл для ципрофлоксацину та 12,186 мкг/мл для азитроміцину. Ключові експерименти підтверджують здатність системи формувати градієнти концентрацій та представляють нову інформацію про взаємодію між ципрофлоксацином і азитроміцином. Водночас показано, що необхідні значні вдосконалення для досягнення придатності системи для подальших досліджень. Аналіз взаємодії антибіотиків показує дозозалежну тенденцію від адитивних до індиферентних ефектів, що свідчить проти використання високих концентрацій азитроміцину в комбінованій терапії з ципрофлоксацином для підсилення ефекту.

As antibiotic resistance presents an ever-growing threat to public health, new methods are needed to effectively and precisely determine antibiotic efficacy. By employing an E. coli quality control strain, the present work confirms the applicability of a novel microfluidic platform for high-throughput and multiplex antibiotic susceptibility testing in bacteria. By using droplet array printing technique, downscaling to 1 nL volumes is achieved in a microarray of approximately 20000 wells. Validation experiments demonstrate comparability with standard methods used in practice by focusing on the effects of culture volume, type of measurements and initial cell count. Precise minimal inhibitory concentrations in agreement with benchmark testing were established: 0.0116 μg/mL for ciprofloxacin and 12.186 μg/mL for azithromycin. Key experiments confirm the ability of the system to form concentration gradients and present new information on the interaction between ciprofloxacin and azithromycin. At the same time, it is shown that significant improvements are required to achieve suitability of the system for further studies. Analysis of antibiotic interaction shows dose-dependent trend from additive to indifferent effects that suggests against the use of high azithromycin concentrations in combination therapy with ciprofloxacin with the goal of effect amplification.