Optofluidic Microsystem for Antibiotic Susceptibility Testing

Nosocomial infections with antimicrobial resistant bacteria are on the rise and even reserve antibiotics are losing their effectiveness. In case of a bacterial infection with the risk of sepsis, the most appropriate antibiotics must be prescribed quickly. Ineffective antibiotics risks patients’ lives, unnecessarily administered antibiotics endanger their long-term effectiveness. This would make many operations and therapies routinely performed today impossible. Currently, detection of antimicrobial resistance is often done off-site and takes too long. Rapid point-of-care testing is needed to achieve medication with effective antibiotics in time. This could be achieved with phenotypic microfluidic diagnostic methods that work label-free.
In this thesis, different approaches for bacterial immobilization and subsequent growth detection are investigated. A microfluidic immobilization principle is combined with an asymmetric diffraction grating to concentrate the bacteria and study their growth label-free under the influence of antibiotics.
Results of CFD simulations of the cross flow immobilization suggested the shear stress in the systems to be approximately half the value reported to be growth limiting for E. coli cells. In line with that, the interferometric measuring principle enabled bacterial growth detection in less than 4 h with a doubling time of 79 min and sample volumes of 187.2 μL and also allowed observing the effect of applied antibiotics label-free. To complete this concept, an improvement of the fabrication of microfluidic systems with two-photon polymerization and subsequent multiple replication is investigated for their wide-spread use. 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 187,2 μL 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.