Microbiologie Als een arts precies weet welke bacterie een infectie veroorzaakt, dan gaat antibiotica kiezen makkelijker. Dat kan snel en goedkoop door naar de bacterie te luisteren.
Farbod Alijani van de TU Delft bij apparatuur - het eerste prototype - waarmee de trillingen van bacteriën worden gemeten.
Ggggghhhhhhhhggghhh, zegt de E. coli-bacterie. Rrtttrtttrrrttttrrttrr, zegt Klebsiella. Mmmgghhhmmm, zegt Staphylococcus aureus. Als je gehoor goed genoeg zou zijn om ze te kunnen horen, zou je gek worden van het lawaai. Alleen op je lichaam leven al zo’n 40 biljoen bacteriën, en ze maken allemaal geluid. En het belangrijkste: ze maken allemaal een ánder geluid. Dat heeft onderzoekers aan de TU Delft aan het denken gezet: als je goed luistert, weet je met welke bacterie je te maken hebt. „Als we weten welke het is, proberen we een antibiotica”, zegt Farbod Alijani. „En als het dan stil wordt, dan zit je goed.”
„Bacteriën blijken allemaal een andere taal te spreken”, zegt Alijani in een kantoor in de faculteit Werktuigbouwkunde van de TU Delft. „Ze schreeuwen eigenlijk, dat is het goede woord. Of gillen, maar op heel veel frequenties tegelijk, want het zijn hun verschillende metabolische activiteiten die je hoort.”
Alijani, geboren in Teheran, is universitair hoofddocent op de afdeling Precision and Microsystems Engineering. Met grote glimlach legt hij uit waar de vinding waaraan hij en zijn team, samen met het Reinier Haga Medisch Diagnostisch Centrum de afgelopen jaren hebben gewerkt toe in staat is, met filmpjes op z’n telefoon, geluidsbestanden van brullende, knorrende en grommende bacteriën en een blik op de prototypes die ze hebben gebouwd voordat ze hun apparaten verder zijn gaan ontwikkelen in de start-up Soundcell.
Naast hem zit Aleksandre Japaridze, geboren in Tbilisi, technisch directeur bij Soundcell. Ook hij is vrolijk. En ze hebben er reden toe, want nu ze bacteriën van elkaar kunnen onderscheiden met hun geluid, kunnen ze ook binnen een uur of twee zeggen of een patiënt een bacteriële infectie heeft, om welk ‘beestje’ het precies gaat en welk antibioticum ertegen zal werken. Een stuk sneller dan dat nu gaat. Ze luisteren naar het geluid van de bacterie, analyseren het en hup, daar is de diagnose. „Dat is in elk geval onze droom!” zegt Alijani.
De groeiende resistentie van bacteriën tegen antibiotica is volgens de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) een van de grootste uitdagingen voor de mondiale gezondheidszorg. De resistentie groeide de afgelopen jaren volgens de WHO met 5 tot 15 procent. Jaarlijks overlijden wereldwijd nu ruim een miljoen mensen omdat ze geen (goed) werkende antibiotica hebben gekregen. Oplossingen zijn schoon drinkwater, riolering, vaccineren, maar óók verbeterde diagnostiek.
Een sensor van grafeen waarmee bacterietrillingen kunnen worden geïdentificeerd.
Nu duurt het relatief lang om te testen of bacteriën resistent zijn. Een patiënt krijgt zo nodig direct een medicijn, maar het kost tijd om precies vast te stellen welk middel uiteindelijk het beste werkt bijvoorbeeld, zegt Michiel Bexkens, universitair docent innovatie klinische microbiologie in het Erasmus MC, die vanuit dit Rotterdamse ziekenhuis samenwerkt met Soundcell. „Je bent zo twee tot drie dagen verder voordat we de behandeling met zekerheid kunnen bijstellen. We starten antibioticatherapie op basis van een medische inschatting, afhankelijk van de patiënt en het soort infectie. Ondertussen loopt in het laboratorium het onderzoek: de bacteriën opkweken, de soort bepalen en de klassieke kweektest om het resistentiepatroon van de bacterie vast te stellen. Dat proces kost veel tijd, die de patiënt niet altijd heeft. Voor levensbedreigende infecties zijn er ook sneltesten beschikbaar, maar die zijn bewerkelijker en duurder en kunnen we daardoor niet standaard inzetten, dan zouden de zorgkosten hoog oplopen en overbelasten we het systeem.”
„Ik ben er oprecht bang voor”, zegt Japaridze over antibioticaresistentie, terwijl we lopen langs de prototypes van hun diagnostische apparaten. De eerste, die ze vergelijken met de vroege, enorme computers, is een grote zwarte bak waarin meerdere lenzen zijn gemonteerd. Ergens in die bak staat het apparaat waarin de bacterie wordt afgeluisterd, een glimmende aluminium kubus zo groot als twee pakken suiker, waar aan één kant een rode laser door een gat steekt.
Het tweede protoype is een stuk bescheidener, met de lenzen geïntegreerd en de laser bovenop gemonteerd. Als iemand langs de opstellingen loopt hoor je de tafels puffen: het antivibratiesysteem, die moet voorkomen dat een bacterie wordt overstemd door langslopende onderzoekers, of de trambaan verderop. „In ons leven zullen we dat resistentieprobleem ernstig zien groeien. Het zou mooi zijn als wij daar een bijdrage in kunnen leveren door echt snel te kunnen vaststellen welk medicijn werkt. Want als je weet welke antibiotica je moet gebruiken, is er minder kans op bacteriën die resistent worden, want dan gaan ze gewoon meteen dood en hoef je niet eerst op goed geluk meerdere middelen te proberen.”
Daarom luisteren ze goed naar de bacteriën. Die liggen op een heel klein velletje grafeen, een koolstofmateriaal van slechts één atoom dik. Extreem dun dus, maar wel erg sterk. „Dat moet je zien als een ultradun membraan op spanning, zoals een drumvel of een trampoline”, zegt Alijani. „Daarop doen we een oplossing met de bacterie erin, en de vibraties van zijn gespartel op het grafeen meten we met een laser. Daarmee kunnen we de deflecties op het grafeen zien [hoeveel het grafeen omhoog of omlaag beweegt], een beetje alsof je een zaklamp richt op een langsrennende jogger met een fluorescerend vest.” Van de metingen maken ze een spectrogram, dat ze weer kunnen vertalen naar geluid.
Die ontdekking was enkele jaren geleden al nieuws, maar op het eerste gehoor klonken alle bacteriën een beetje hetzelfde. De chaotische ruis van de ene bacterie was niet goed te onderscheiden van de andere. „Tot iemand mij op een conferentie vroeg of bacteriën ook verschillende talen spreken”, zegt Alijani. „Ik dacht: tja, geen idee eigenlijk. De moeite waard om naar te kijken.” Met behulp van machine learning ontdekten ze de verschillende patronen bij verschillende soorten en hoorden ze de babylonische rijkdom. „Je kunt hun miniscule bewegingen opvangen, en zeggen: oké, dit is E. coli en die andere is, ik weet niet… Klebsiella bijvoorbeeld.”
Ze klinken een beetje als het gieren van de wind, het ruisen van de zee, of een vliegtuig hoog in de lucht. Het verschil tussen verschillende soorten is verrassend goed te onderscheiden. Alijani laat het geluidsbestand van Klebsiella horen: een hoog overvliegend vliegtuig is het, met lichte ruis en een beetje diep gebrom. Japaridze: „Dat is het typische geluid van een zwemmende bacterie. Die hebben een flagella, een soort motortje, en die maakt het meest geluid.” Daarna luisteren we naar Staphylococcus: een stuk rustiger. Ritmisch en een beetje ratelend, maar niet erg aanwezig. „Geen zwemmer, veel stiller”, becommentarieert Alijani.
Dan laat hij horen hoe Klebsiella klinkt als je hem de juiste antibiotica hebt toegediend. Het verschil is helder: het geruis van een overvliegend vliegtuig is verdwenen en er blijft een ver en vaag gesuis over. „Dood”, zegt Alijani. „Wat je nu hoort is gewoon het achtergrondgeluid dat er altijd is.” Daarna hetzelfde met de beruchte darmbacterie E. coli, eerst een hevig gebrom, dan niets anders dan de zachte suis die de dood van deze bacterie vergezelt.
De mannen laten een filmpje zien van de ‘MelodyOne’, hun nieuwste prototype. Een glad afgewerkt wit apparaat zo groot als een nachtkastje, waarin je een monster (grafeenplaatjes met infectiesamples) in een soort cd-lade legt. De hele analyse gebeurt daarbinnen, inclusief een antivibratiesysteem. Een groot verschil met de eerdere, grote en open opstellingen waarin je alle onderdelen kon zien. Japaridze: „Er zijn behandelaars hier geweest om mee te denken, en die zeiden: ja, ziet er cool uit, maar stop het in een dichte doos want ik wil niet weten hoe het werkt.” Hij schiet in de lach. „Dus we hebben het in een mooie, witte doos gestopt waaraan je niet hoeft te zien wat er binnenin gebeurt.”
De snelle diagnose is inmiddels getest op samplemateriaal uit de database van de ziekenhuizen waarmee ze samenwerken, het Erasmus MC in Rotterdam en ziekenhuis Reinier de Graaf in Delft. „Daar hebben we onze machine learning-modellen op getraind en onze methode op getest”, zegt Japaridze. „Daarmee toonden we aan dat we inderdaad binnen een paar uur konden vertellen welke infecties deze patiënten gehad hebben.”
Kan deze techniek levens redden? „Dat is wel het idee”, zegt Alijani. Japaridze: „Als je niet weet welk medicijn werkt of niet, is het een gok. Stel je hebt een septische shock, dan daalt je levensverwachting elk uur met 5 procent. Als je de verkeerde medicijnen krijgt, wat in Nederland in zo’n 10 tot 15 procent van de gevallen gebeurt – en in het zuiden van Europa kan het oplopen tot 50 procent – dan wordt de noodzaak van een nieuwe techniek om sneller te kunnen beslissen erg duidelijk. Je bent erg ziek, je krijgt een medicijn en de enige manier waarop je weet of het werkt of niet, is afwachten of je beter wordt of dat het erger wordt. Dat is eng, dat wil je niet.”
De ogen van de twee gaan glimmen als we bespreken wat je nog meer zou kunnen met deze techniek. Nee virussen zien ze weinig in, die leven eigenlijk niet en hun activiteit is te grillig. „Misschien”, zegt Alijani, „als we een cel met een virale infectie bekijken op die manier, en de activiteit van die cel in de aanwezigheid van een virale infectie… dat zou kunnen werken. Maar een virus zélf, die geen metabolisch proces heeft, dat werkt niet.” Japardize: „Maar het werkt wel bij schimmelcellen en andere eukaryotische cellen, dat hebben we geprobeerd en we konden succesvol hun activiteit en reactie op een medicijn meten.”
Misschien kunnen ze er dan ook kankercellen mee detecteren en analyseren. „Dat is zeker iets waarvan we denken dat deze technologie ertoe in staat is. Verschillende soorten cellen maken hoogstwaarschijnlijk ook verschillende geluiden”, zegt Alijani. Japaridze: „Zeker kankercellen. We weten dat de metabolische activiteit van kankercellen erg hoog is omdat ze oncontroleerbaar groeien en veel energie vreten, dus ik verwacht daar veel meer signaal van dan van andere cellen. Ga er maar van uit dat die nog veel harder gillen!”
De verschillende lenzen van het eerste prototype waarmee de bewegingen van bacteriën te zien en horen zijn.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin