Onderzoekers van de UAB en het ICN2 hebben een innovatief materiaal ontwikkeld om de verspreiding van ziekteverwekkers, infecties en antimicrobiële resistentie te bestrijden. Geïnspireerd door de stoffen die door mosselen worden afgescheiden om zich aan rotsen te hechten, kan het worden gebruikt als coating om stoffen in de gezondheidszorg te beschermen en biedt het een effectief alternatief voor veelgebruikte materialen zoals papier, katoen, chirurgische maskers en commerciële pleisters.

Het onderzoek is gepubliceerd in het Chemical Engineering Journal .

Het overmatig gebruik van antibiotica heeft geleid tot de ontwikkeling van antimicrobiële resistentie (AMR), een groeiende bedreiging voor de volksgezondheid wereldwijd. AMR treedt op wanneer bacteriën in de loop van de tijd veranderen en niet langer reageren op medicijnen, antibiotica en andere gerelateerde antimicrobiële geneesmiddelen, waardoor infecties moeilijker te behandelen zijn en het risico op verspreiding van ziekteverwekkers, ernstige ziekten en overlijden toeneemt.

De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) en de Verenigde Naties (VN) hebben zelfs gerapporteerd dat AMR een grote bedreiging vormt voor de menselijke gezondheid over de hele wereld, en kanker waarschijnlijk zal inhalen als de belangrijkste doodsoorzaak ter wereld in 2050.

In dit scenario is de ontwikkeling van nieuwe en efficiëntere antibacteriële materialen essentieel geworden om de verspreiding van ziekteverwekkers te verminderen en zo infecties te voorkomen. Van belang is de beheersing van bacteriepopulaties in gezondheidszorgomgevingen zoals ziekenhuizen en andere gezondheidszorgafdelingen om de zogenaamde nosocomiale infecties te voorkomen, voornamelijk als gevolg van bacteriële kolonisatie op biomedische oppervlakken.

Tegenwoordig is dit type infectie de zesde belangrijkste doodsoorzaak in de geïndustrialiseerde landen, en nog veel hoger in de ontwikkelingslanden. Het treft vooral patiënten met een verzwakt immuunsysteem, patiënten op de intensive care (bijvoorbeeld brandwonden) en mensen met chronische pathologieën zoals diabetes.

Onder de verschillende materialen die bacteriepopulaties kunnen verspreiden, vertegenwoordigen stoffen een integraal onderdeel van de patiëntenzorg:van de kleding van artsen, chirurgen en verpleegsters tot medische gordijnen, lakens, kussenhoezen, maskers, handschoenen en verbandmiddelen, die rechtstreeks in contact staan met hechtingen en wonden. Om al deze redenen zijn antibacteriële coatings voor medische stoffen een zeer actief onderzoeksgebied geworden.

Onderzoekers van de UAB-afdeling Biochemie en Moleculaire Biologie, het UAB Instituut voor Neurowetenschappen (INc-UAB) en het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2) hebben een familie van biocompatibele en bio-geïnspireerde coatings ontwikkeld, geproduceerd door de co-polymerisatie tussen catechol derivaten en amino-terminale liganden.

Op basis hiervan hebben ze aangetoond dat het gebruik van deze op mosselen geïnspireerde coatings als efficiënte antimicrobiële materialen, gebaseerd op hun vermogen om in de loop van de tijd chemisch te evolueren in de aanwezigheid van lucht en vochtige atmosferen, waardoor de continue vorming van reactieve zuurstofsoorten (ROS) wordt bevorderd. . In feite resulteert de synthetische methodologie, naast de vorming van ROS, in een overmaat aan oppervlakkige vrije aminogroepen die de verstoring van pathogene membranen veroorzaken.

"Een van de belangrijkste componenten die in de coatings worden aangetroffen (catechol- en polyfenolderivaten) wordt aangetroffen in de strengen die worden afgescheiden door mosselen, die verantwoordelijk zijn voor hun hechting aan rotsen onder extreme omstandigheden, onder zout water", leggen UAB-professor Victor Yuste en ICN2-onderzoeker uit. Salvio Suarez. "Het feit dat de coatings die we hebben ontwikkeld zijn geïnspireerd op dit organisme, zorgt ervoor dat ze zich op vrijwel elk type oppervlak kunnen hechten en bovendien zeer goed bestand zijn tegen verschillende omgevingsomstandigheden zoals vochtigheid of de aanwezigheid van vloeistoffen.

"Bovendien helpen natuurlijke verbindingen om meer biologisch afbreekbare, biocompatibele materialen te verkrijgen met een lagere antimicrobiële resistentie in vergelijking met andere bacteriedodende systemen die uiteindelijk resistentie genereren en daardoor snel hun effectiviteit verliezen."

Alle algemeen gebruikte sanitaire uitrusting, zoals papier, katoen, chirurgische maskers en commerciële pleisters, vertoonde een intrinsieke antibacteriële activiteit op meerdere manieren met snelle reacties tegen een breed spectrum van microbiële soorten. Dit omvatte micro-organismen die resistentie hebben ontwikkeld tegen extreme omgevingsomstandigheden (zoals B. subtilis), maar ook ziekteverwekkers die worden beschouwd als de primaire bron die verantwoordelijk is voor veel huidige infecties, vooral die welke worden opgelopen in gezondheidszorginstellingen.

Deze pathogenen omvatten multiresistente micro-organismen van zowel Gram-negatieve (E. coli en P. aeruginosa) als Gram-positieve (S. aureus, methicilline-resistente S. aureus – MRSA en E. faecalis). Deze materialen hebben ook werkzaamheid getoond tegen schimmels zoals C. albicans en C. auris.

Bovendien werd de efficiënte toepassing ervan aangetoond in natte atmosferen, zoals die aangetroffen worden in gezondheidszorgomgevingen, waar ademhalingsdruppeltjes en/of andere biovloeistoffen aanwezig zijn, waardoor de risico's van indirecte contactoverdracht worden verminderd. Dergelijke antimicrobiële activiteit werd toegeschreven aan een direct contactdodingsproces, waarbij de ziekteverwekker aanvankelijk aan de coating wordt gehecht door catecholmoleculen en andere polyfenolderivaten.

Vervolgens wordt een antibacterieel effect via meerdere routes geactiveerd, voornamelijk gericht op een aanhoudende generatie van bioveiligheidsniveaus van ROS en elektrostatische interacties met protische aminogroepen die aan het oppervlak worden blootgesteld. Deze antibacteriële mechanismen induceerden een snelle (180 minuten voor bacteriën en 24 uur voor schimmels) en efficiënte (meer dan 99%) reactie tegen ziekteverwekkers, waardoor onomkeerbare schade aan de micro-organismen werd veroorzaakt.

Deze innovatieve coatings volgen een eenvoudige, schaalbare synthese in één stap onder milde omstandigheden, waarbij gebruik wordt gemaakt van betaalbare materialen en op groene chemie gebaseerde methodologieën. Bovendien versterken de polyfenolische aard van hun samenstellingen en de afwezigheid van aanvullende externe antimicrobiële middelen de eenvoud van de bio-geïnspireerde coatings en vermijden ze de inductie van AMR en de cytotoxische effecten ervan op gastheercellen en het milieu.

Het vermelden waard is dat verschillende parameters zoals kleur, dikte en hechting nauwkeurig zijn afgestemd, waardoor een aanpasbare oplossing wordt geboden voor de verschillende eisen van de uiteindelijke materiaaltoepassing. Over het algemeen hebben de ontworpen bio-geïnspireerde coatings een enorm potentieel aangetoond voor verdere vertaling naar klinieken, omdat ze een haalbaar alternatief vormen voor bestaande antimicrobiële materialen.

Meer informatie: Jose Bolaños-Cardet et al, Bio-geïnspireerde coatings op fenolbasis voor medische stoffen tegen antimicrobiële resistentie, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.148674

Aangeboden door de Autonome Universiteit van Barcelona