Wetenschap
Met suiker bedekte gouden nanodeeltjes kunnen bacteriële infecties snel elimineren, er zijn geen antibiotica nodig
Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en Stanford University hebben met suiker bedekte gouden nanodeeltjes ontwikkeld die ze gebruikten om biofilms zowel in beeld te brengen als te vernietigen. In een onderzoek gepubliceerd in het Journal of Clinical Investigation hebben de auteurs het diagnostische en therapeutische potentieel van de nanodeeltjes op de tanden en de gewonde huid van ratten en muizen aangetoond, waardoor de biofilms in slechts één minuut worden geëlimineerd en beter presteren dan gewone antimicrobiële middelen.
"Met dit platform kun je biofilms vernietigen zonder infecties operatief te debrideren, wat nodig kan zijn bij het gebruik van antibiotica. Bovendien zou deze methode patiënten kunnen behandelen als ze allergisch zijn voor antibiotica of geïnfecteerd zijn door stammen die resistent zijn tegen medicijnen", zegt Luisa Russell. , Ph.D., programmadirecteur bij de afdeling Discovery Science &Technology bij NIBIB. "Het feit dat deze methode antibioticavrij is, is een enorme kracht."
Orale biofilms, ook wel plaques genoemd, gevormd door bacteriën zoals Streptococcus mutans, kunnen aanzienlijk tandbederf veroorzaken. Wondinfecties, die vaak worden veroorzaakt door de bacterie Staphylococcus, kunnen het genezingsproces aanzienlijk vertragen. In beide gevallen kan het dicht opeengepakte netwerk van eiwitten en koolhydraten in biofilms voorkomen dat antibiotica microben in het getroffen gebied bereiken.
Maar dat is niet de omvang van het probleem van biofilms. Ze zijn niet alleen moeilijk te verwijderen, maar ook lastig te onderscheiden.
Dit nieuwe onderzoek heeft een oplossing gevonden om beide problemen in één klap op te lossen:goud.
Goud is niet giftig en zet energie uit lichtbronnen gemakkelijk om in warmte, waardoor het een uitstekende kandidaat is voor fotothermische therapie, een strategie die de warmte van nanodeeltjes gebruikt om nabijgelegen ziekteverwekkers te doden. Naast het genereren van warmte, zenden de nanodeeltjes detecteerbare ultrasone golven uit als reactie op licht, wat betekent dat gouddeeltjes kunnen worden gevisualiseerd met behulp van een techniek die fotoakoestische beeldvorming wordt genoemd.
In de nieuwe studie hebben de auteurs gouden bollen ingekapseld in grotere gouden kooivormige nanodeeltjes om hun reactie op licht te optimaliseren voor zowel therapeutische als beeldvormende doeleinden. Om de deeltjes aantrekkelijk te maken voor bacteriën, hebben ze ze bedekt met dextraan, een koolhydraat dat een veel voorkomende bouwsteen is van biofilms.
De onderzoekers beoordeelden hun strategie door de gouden nanodeeltjes aan te brengen bovenop met S. mutans geïnfecteerde tanden uit ex vivo rattenkaken.
In een foto-akoestische beeldvormingstest op de tanden zonden de nanodeeltjes signalen uit die luid en duidelijk doorkwamen, waardoor het team precies kon zien waar biofilms de met dextraan gecoate deeltjes op de tanden hadden opgenomen.
Om het therapeutische effect van de deeltjes te evalueren, bestraalden ze de tanden vervolgens met een laser. Ter vergelijking behandelden ze andere geïnfecteerde tandmonsters met het plaatselijke antiseptische chloorhexidine.
Het team constateerde een schril contrast in de uitkomsten van de twee behandelingen, waarbij de fotothermische therapie bijna 100% effectief was in het doden van biofilms, terwijl chloorhexidine de levensvatbaarheid van bacteriën niet significant verminderde.
"De behandelmethode is vooral snel voor de orale infectie. We hebben de laser gedurende één minuut toegepast, maar in ongeveer 30 seconden doden we vrijwel alle bacteriën", zegt eerste auteur van het onderzoek, Maryam Hajfathalian, Ph.D., een hoogleraar biomedische technologie aan het New Jersey Institute of Technology, die dit onderzoek uitvoerde terwijl hij een postdoctoraal onderzoeker was aan zowel de Universiteit van Pennsylvania als Stanford University.
Evaluaties uitgevoerd op muizen met open wonden in de huid, geïnfecteerd met Staphylococcus aureus, waren eveneens succesvol, omdat de door nanodeeltjes gegenereerde warmte aanzienlijk beter presteerde dan een ander antimicrobieel middel, gentamicine genaamd. Hier maten en noteerden de onderzoekers ook een temperatuurstijging van 20°C, gelokaliseerd in de biofilm, zonder enige duidelijke schade aan het omliggende weefsel te veroorzaken.
De auteurs geven aan dat ze met verdere tests willen laten zien of de strategie gaatjes kan voorkomen of de genezing kan versnellen.
"Ik denk dat het belangrijk is om te zien hoe goedkoop, eenvoudig en snel dit proces is. Omdat we beperkt zijn in het gebruik van antibiotica, hebben we ter vervanging nieuwe behandelingen zoals deze nodig", zei Hajfathalian.