Development of an optical/electronic turbidimetric blood culture system for rapid detection of bacterial infection

Jens Cornelis
Persbericht

Een toegankelijk testapparaat voor bloedbaaninfecties

Stel je voor, je woont in een afgelegen gebied in Afrika en je wordt ziek. De dokter wil je bloed laten testen op bacteriële infecties maar er is een probleem: geen enkel labo in de buurt kan zo’n test uitvoeren. Bacteriële infecties opsporen in bloed duurt lang, is duur en testen geven niet altijd het juiste resultaat. Kan dat niet beter? Het antwoord op die vraag is… ja.

Bloedbaaninfecties zijn een groot probleem. Je wordt er niet alleen ziek van, ze kunnen ook dodelijk zijn zonder de juiste behandeling. Het is dus belangrijk dat ze snel ontdekt worden zodat er vlot een behandeling kan gestart worden. Maar dat is niet zo vanzelfsprekend. Labotesten hiervoor zijn duur en moeilijk om uit te voeren, wat leidt tot een hoge testprijs voor de patiënt. Die hoge testprijzen en een tekort aan personeel zijn vooral een probleem in landen met een laag inkomen. Mensen krijgen hier vaak niet de behandeling die ze nodig hebben omdat de testen niet uitgevoerd kunnen worden. In landen met een hoger inkomen zijn dure, geautomatiseerde labotoestellen voor dit soort testen vanzelfsprekend, omdat ze het meest betrouwbare resultaat geven. Maar niet elk labo ter wereld heeft budget voor zulke toestellen. Hierdoor is de kans op een foute diagnose groter.

Als een labo zonder zo’n geautomatiseerd toestel wil bepalen of een bloedstaal geïnfecteerd is of niet, moeten de laboranten met het blote oog proberen bepalen of er bacteriën in groeien. Hiervoor wordt er gekeken naar verschillende signalen die kunnen wijzen op bacteriële groei in het staal: hoe helder of troebel het staal is, welke kleur het heeft, of er gasbelletjes te zien zijn, enzovoort. Omdat een persoon soms minieme veranderingen moet vaststellen over een tijdspanne van meerdere dagen is deze test nogal subjectief en is de kans op een foute test groter dan bij een meting door een labotoestel.

Effectief en betaalbaar

Mijn masterproef was onderdeel van een project dat deze problemen wilt oplossen: het SIMBLE-project, een samenwerking tussen onder andere UGent en het Instituut voor Tropische Geneeskunde. Een van de doelen van dit project is om een betaalbaar en toegankelijk toestel te ontwikkelen dat op een objectieve manier weergeeft of het bloed van een patiënt besmet is of niet. De naam van dit apparaat? De turbidimeter. De naam komt voort uit de manier waarop het apparaat werkt. Met behulp van een lampje en een lichtsensor kijkt de turbidimeter naar hoeveel licht het bloedstaal blokkeert. In één woord is dat de troebelheid of turbiditeit. Aangezien bloed minder doorzichtig wordt als er bacteriën in groeien, kan dit gebruikt worden om te bepalen of het bloed besmet is of niet.

Foto timelapse bloedstaal

Een bloedstaal besmet met een bacterie dat 20 uur lang, één keer per uur gefotografeerd werd.
In het begin zakken de zware delen van het bloed naar onder. Daarna wordt de vloeistof geleidelijk aan troebeler door de bacteriële groei.

Allemaal goed en wel, maar werkt het ook? De turbidimeter heeft al bewezen dat het effectief bloedbaaninfecties kan opsporen. De tijd waarin het dat kan doen is ook vergelijkbaar met commerciële toestellen die nu op de markt zijn. Maar het kan nog beter. Er zijn nog besmette bloedstalen die niet door de turbidimeter gedetecteerd kunnen worden en de detectietijd, zelfs voor commerciële apparaten, is nog steeds lang. Er zijn natuurlijk opties om de turbidimeter te verbeteren, en die opties uitwerken en testen, klinkt als een ideale masterproef.

Wat werkt (niet)?

De eerste optie was om naar meer dan enkel de turbiditeit te kijken. Bij sommige bacteriesoorten wordt er een soort film gevormd bovenop het bloed wanneer ze groeien. Door een extra sensor toe te voegen om deze film te proberen zien, zouden de resultaten van de turbidimeter dus in principe moeten verbeteren. Maar met de opstelling die wij gebruikten was dit niet meteen te zien. Dit betekent natuurlijk niet dat het niet mogelijk is.

Foto prototype turbidimeter

Het prototype van de turbidimeter waarmee de nieuwe opties werden uitgetest.

De tweede mogelijkheid om de turbidimeter te verbeteren, was het verplaatsen van bestaande de sensor. We wisten niet of de locatie van de lichtbron en sensor een effect had op de metingen. Door verschillende posities uit te testen bleek dat hoger meten sneller een resultaat kon opleveren. Dit komt omdat zware delen van het bloed eerst moeten wegzakken vooraleer er een goede meting kan worden uitgevoerd. Hoe hoger er gemeten wordt, hoe sneller deze delen weg zijn van de sensor. En dus hoe sneller de turbidimeter op infecties kan beginnen testen. Dit was een belangrijk resultaat. Zo belangrijk, dat de turbidimeters die gebruikt werden in de veldtesten van het project, meteen omgebouwd werden met hogere sensoren.

Wat nu?

Het SIMBLE-project blijft de komende tijd verderlopen. En de opgedane kennis kan toegepast worden om een beter eindresultaat te krijgen. Er zal verder onderzoek gedaan worden rond de turbidimeter, bloedbaaninfecties en alle moeilijkheden die daarbij komen kijken. De turbidimeter is een stap in de juiste richting en met dit project wordt er stap voor stap voortgegaan naar een juiste bloedbaaninfectietest voor iedereen.

Bibliografie

[1] WHO. "Sepsis." https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/sepsis (accessed 17 May, 2023).

[2] I. f. T. Medicine. "Simplified Blood Culture System (SIMBLE)." http://www.itg.be/en/research/projects/simplified-blood-culture-system-… (accessed 18 May, 2023).

[3] B. Barbé et al., "Pilot Testing of the Turbidimeter, a Simple, Universal Reader Intended to Complement and Enhance Bacterial Growth Detection in Manual Blood Culture Systems in Low-Resource Settings," Diagnostics, vol. 12, no. 3, p. 615, 2022, doi: 10.3390/diagnostics12030615.

[4] M. Peleg and M. G. Corradini, "Microbial growth curves: what the models tell us and what they cannot," Critical reviews in food science and nutrition, vol. 51, no. 10, pp. 917-945, 2011.

[5] S. Ombelet et al., "Best Practices of Blood Cultures in Low- and Middle-Income Countries," (in English), Frontiers in Medicine, Review vol. 6, 2019-June-18 2019, doi: 10.3389/fmed.2019.00131.

[6] E. Baron, M. Weinstein, W. Dunne, P. Yagupsky, D. Welch, and D. Wilson, "Cumitech 1C, blood cultures IV," Cumitech C, vol. 1, pp. 1-34, 2005.

[7] C. A. Petti, C. R. Polage, T. C. Quinn, A. R. Ronald, and M. A. Sande, "Laboratory Medicine in Africa: A Barrier to Effective Health Care," Clinical Infectious Diseases, vol. 42, no. 3, pp. 377-382, 2006, doi: 10.1086/499363.

[8] M. S. Frontières, "Local diagnostics to meet local health needs." [Online]. Available: https://msfaccess.org/improve-local-production-diagnostics

[9] P.-C. Lin, C.-L. Chang, Y.-H. Chung, C.-C. Chang, and F.-Y. Chu, "Revisiting factors associated with blood culture positivity: Critical factors after the introduction of automated continuous monitoring blood culture systems," Medicine, vol. 101, no. 30, 2022.

[10] B. Lamy, S. Dargère, M. C. Arendrup, J.-J. Parienti, and P. Tattevin, "How to Optimize the Use of Blood Cultures for the Diagnosis of Bloodstream Infections? A State-of-the Art," (in English), Frontiers in Microbiology, Review vol. 7, 2016-May-12 2016, doi: 10.3389/fmicb.2016.00697.

[11] M. L. Wilson, "Development of new methods for detecting bloodstream pathogens," Clinical Microbiology and Infection, vol. 26, no. 3, pp. 319-324, 2020/03/01/ 2020, doi: 10.1016/j.cmi.2019.08.002.

[12] M. L. Yarbrough, M. A. Wallace, and C.-A. D. Burnham, "Comparison of Microorganism Detection and Time to Positivity in Pediatric and Standard Media from Three Major Commercial Continuously Monitored Blood Culture Systems," Journal of Clinical Microbiology, vol. 59, no. 7, pp. e00429-21, 2021, doi: 10.1128/JCM.00429-21.

[13] F. R. Cockerill, III et al., "Optimal Testing Parameters for Blood Cultures," Clinical Infectious Diseases, vol. 38, no. 12, pp. 1724-1730, 2004, doi: 10.1086/421087.

[14] T. C. Thorpe et al., "BacT/Alert: an automated colorimetric microbial detection system," (in eng), Clinical Microbiology, vol. 28, no. 7, pp. 1608-12, July 1990, doi: 10.1128/jcm.28.7.1608-1612.1990.

[15] bioMérieux. "BACT/ALERT® Culture Media." https://www.biomerieux-usa.com/bact-alert-culturemedia (accessed 23 May, 2023).

[16] S. Ombelet et al., "Nonautomated Blood Cultures in a Low-Resource Setting: Optimizing the Timing of TITLE Development of an optical/electronic turbidimetric blood culture system for rapid detection of bacterial infection DATE 25/05/2023 PAGE 33/39 Blind Subculture," (in English), The American Journal of Tropical Medicine and Hygiene, vol. 104, no. 2, pp. 612-621, 03 Feb. 2021 2021, doi: 10.4269/ajtmh.20-0249.

[17] S. Ombelet, A. Natale, J.-B. Ronat, O. Vandenberg, J. Jacobs, and L. Hardy, "Considerations in evaluating equipment-free blood culture bottles: A short protocol for use in low-resource settings," Plos one, vol. 17, no. 4, p. e0267491, 2022.

[18] P. J. Dailey et al., "Defining System Requirements for Simplified Blood Culture to Enable Widespread Use in Resource-Limited Settings," Diagnostics, vol. 9, no. 1, p. 10, 2019, doi: 10.3390/diagnostics9010010.

[19] Arduino. "Arduino Nano." https://store.arduino.cc/products/arduino-nano (accessed 4 March, 2023).

[20] Inolux. "IN-S126AT series." https://www.inoluxcorp.com/datasheet/SMDLED/Mono%20Color%20Top%20View/I… (accessed 20 May, 2023).

[21] Luminus. "Luminus MP3014 1100 Datasheet." https://download.luminus.com/datasheets/Luminus_MP3014_1100_Datasheet.p… (accessed 20 May, 2023).

[22] "MAX11606–MAX11611 Low-Power, 4-/8-/12-Channel, I2C, 10-Bit ADCs in Ultra-Small Packages." Analog Devices. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/MAX1… (accessed 30 April, 2023).

[23] ams. "TCS3772 Color Light‐to‐Digital Converter with Proximity Sensing." https://ams.com/documents/20143/36005/TCS3772_DS000175_3-00.pdf/8689a34…- eb8d38ead80d (accessed 30 April, 2023).

[24] Panasonic. "PAN1780 (nRF52840)." https://industry.panasonic.eu/products/devices/wirelessconnectivity/blu… (accessed 6 April, 2023).

[25] N. Semiconductor. "nRF52840 Product Specification." https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nRF52840_PS_v1.7.pdf (accessed 6 April, 2023).

[26] S. E. McBirney, K. Trinh, A. Wong-Beringer, and A. M. Armani, "Wavelength-normalized spectroscopic analysis of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa growth rates," Biomed. Opt. Express, vol. 7, no. 10, pp. 4034-4042, 2016/10/01 2016, doi: 10.1364/BOE.7.004034.

[27] "Sustainable Development Goals." UN. (accessed 1 May, 2023).

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de industriële wetenschappen: elektronica-ICT (elektronica)
Publicatiejaar
2023
Promotor(en)
Prof. dr. ir. Roel Baets, Dr. Liselotte Hardy
Kernwoorden
Share this on: