Sensor piezoeléctrico mide eficacia de antibióticos

El sensor está compuesto por un disco delgado de cuarzo piezoeléctrico intercalado entre dos electrodos. Se aplica un voltaje alterno a un electrodo a una frecuencia estable, cerca de la frecuencia de resonancia del cristal, para excitar las vibraciones del cristal.

En el otro electrodo (en el lado opuesto del cristal), se pueden registrar los voltajes oscilantes resultantes de la respuesta del cristal; las fluctuaciones en la frecuencia de resonancia son el resultado de la actividad mecánica microbiana de varios millones de células bacterianas acopladas a la superficie del cristal. El método ultrasensible puede permitir la detección de fluctuaciones de frecuencia generadas por células a un nivel de menos de una parte en 10 mil millones y la cantidad de ruido de frecuencia generado se correlaciona con la densidad de las células bacterianas vivas.

Cuando se expuso la bacteria E. coli a diferentes antibióticos, el sensor mostró que el ruido de frecuencia de la bacteria se redujo a cero al cabo de siete minutos después de haber sido tratada con polimixina B, y después de 15 minutos de haberla expuesto a la ampicilina; los resultados reflejaron la farmacocinética normal de los antibióticos. Los investigadores agregaron que, dado que usaban bacterias con flagelos paralizados, llegaron a la conclusión de que las fluctuaciones de frecuencia eran la consecuencia de las vibraciones de las paredes celulares. El estudio se publicó el 22 de septiembre de 2017 en la revista Nature Scientific Reports.

“Las pruebas actuales requieren el cultivo de colonias de bacterias por varios días, lo que puede permitir que una infección mal tratada avance y brinde a las bacterias la oportunidad de desarrollar resistencia a los medicamentos”, concluyó el autor principal, Ward Johnson, PhD. “El sensor NIST es un resonador de cristal de cuarzo que vibra de manera diferente cuando las células bacterianas en su superficie cambian su comportamiento; detecta el movimiento mecánico de los microbios para medir la respuesta a los antibióticos ... la cantidad de ruido de frecuencia emitido por las células bacterianas aumenta con la densidad de las bacterias”.

La piezoelectricidad, descubierta en 1880 por los físicos franceses Jacques y Pierre Curie, es un efecto reversible en los cristales que describe la generación interna de una carga eléctrica resultante de una fuerza mecánica. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generarán piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma en aproximadamente un 0,1%. Por el contrario, los mismos cristales cambiarán aproximadamente el 0,1% de su dimensión estática cuando se aplica un campo eléctrico externo al material. El efecto piezoeléctrico inverso se usa para la producción de ondas de sonido ultrasónicas.