Een nieuwe studie suggereert dat ruwe oppervlakken, geïnspireerd door de bacteriedodende punten op insectenvleugels, effectiever kunnen zijn in het bestrijden van medicijnresistente superbacteriën, waaronder schimmels, dan eerder werd aangenomen.

Het toenemende aantal medicijnresistente infecties baart gezondheidsdeskundigen wereldwijd zorgen.

Om infectie rond implantaten (zoals titaniumheupen of tandprothesen) te voorkomen, gebruiken artsen een reeks antimicrobiële coatings, chemicaliën en antibiotica, maar deze kunnen antibioticaresistente stammen niet stoppen en kunnen zelfs de resistentie verhogen.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben wetenschappers van de RMIT University een patroon van microscopisch kleine pieken ontworpen die op titaniumimplantaten of andere oppervlakken kunnen worden geëtst om effectieve, medicijnvrije bescherming te bieden tegen zowel bacteriën als schimmels.

De studie van het team is gepubliceerd in Advanced Materials Interfaces testte de effectiviteit van het veranderde titaniumoppervlak bij het doden van multiresistente Candida, een potentieel dodelijke schimmel die verantwoordelijk is voor één op de tien ziekenhuisinfecties door medische hulpmiddelen.

De speciaal ontworpen punten, elk met een hoogte die vergelijkbaar is met die van een bacteriecel, vernietigden kort na contact ongeveer de helft van de cellen.

Het is veelbetekenend dat de andere helft die niet onmiddellijk werd vernietigd, niet meer levensvatbaar was vanwege de opgelopen verwondingen en niet in staat was zich voort te planten of een infectie te veroorzaken.

Hoofdpostdoctoraal onderzoeker Dr. Denver Linklater zei dat metabolische analyse van eiwitactiviteit aan het licht bracht dat zowel de Candida albicans als de multiresistente Candida auris-schimmelcellen die gewond op het oppervlak zaten, zo goed als dood waren.

"De Candida-cellen die gewond raakten ondergingen uitgebreide metabolische stress, waardoor het proces waarbij ze zich voortplantten en een dodelijke schimmelbiofilm ontstond, zelfs na zeven dagen werd verhinderd", zegt Linklater van de RMIT's School of Science. "Ze konden niet tot leven worden gewekt in een omgeving zonder stress en uiteindelijk worden stilgelegd in een proces dat bekend staat als apoptose of geprogrammeerde celdood."

De effectiviteit van het oppervlak tegen veelvoorkomende pathogene bacteriën, waaronder gouden stafylokok, werd aangetoond in een eerder onderzoek gepubliceerd in Materialia .

Groepsleider, hoogleraar Elena Ivanova, zei dat de nieuwste bevindingen licht werpen op het ontwerp van antischimmeloppervlakken om biofilmvorming door gevaarlijke, multiresistente gisten te voorkomen.

"Het feit dat cellen stierven na het eerste contact met het oppervlak - sommige door breuk en andere door geprogrammeerde celdood kort daarna - suggereert dat er geen resistentie tegen deze oppervlakken zal worden ontwikkeld," zei ze. "Dit is een belangrijke bevinding en suggereert ook dat de manier waarop we de effectiviteit van antimicrobiële oppervlakken meten wellicht opnieuw moet worden bekeken."

Er is de afgelopen tien jaar vooruitgang geboekt bij het ontwerpen van oppervlakken die superbacteriën bij contact doden. Het vinden van de juiste soorten oppervlaktepatronen om 100% van de microben te elimineren, zodat sommige niet overleven en resistent worden, is een voortdurende uitdaging.

"Deze laatste studie suggereert dat het misschien niet helemaal noodzakelijk is dat alle oppervlakken alle ziekteverwekkers onmiddellijk bij contact elimineren als we kunnen aantonen dat de oppervlakken geprogrammeerde celdood veroorzaken in de overlevende cellen, wat betekent dat ze hoe dan ook sterven", zei ze. P>

RMIT's Multifunctional Mechano-biocidal Materials Research Group loopt al meer dan tien jaar voorop in de wereld op het gebied van de ontwikkeling van antimicrobiële oppervlakken, geïnspireerd op de nanopilaren die de vleugels van libellen en cicaden bedekken. Ivanova was zelf een van de eersten die observeerde hoe wanneer bacteriën zich op een insectenvleugel nestelen, het patroon van nanopilaren de cellen uit elkaar trekt, waardoor de membranen dodelijk scheuren.

"Het is alsof je een latex handschoen uitrekt", zei Ivanova. "Terwijl het langzaam uitrekt, zal het zwakste punt van het latex dunner worden en uiteindelijk scheuren."

Haar team heeft de afgelopen tien jaar de nanopilaren van deze insecten gerepliceerd in hun eigen nanopatronen. Deze nieuwste vooruitgang is bereikt met behulp van een techniek genaamd plasma-etsen om het antibacteriële en schimmelwerende patroon in titanium te creëren.

Ivanova zei dat de relatief eenvoudige etstechniek kan worden geoptimaliseerd en toegepast op een breed scala aan materialen en toepassingen.

"Deze nieuwe techniek voor oppervlaktemodificatie zou potentiële toepassingen kunnen hebben in medische apparatuur, maar zou ook gemakkelijk kunnen worden aangepast voor tandheelkundige toepassingen of voor andere materialen zoals roestvrijstalen banken die worden gebruikt in de voedselproductie en de landbouw", zei ze.

Hoofdauteur van het onderzoek en gezamenlijke Ph.D. kandidaat bij RMIT en de ARC Research Hub voor Australian Steel Manufacturing, Phuc Le, zei dat de nauwe samenwerking met industriepartner BlueScope Steel heeft geholpen de inspanningen te concentreren op praktische oplossingen voor de industrie.

"Samenwerken met industriële partners is een transformerend aspect van mijn promotietraject geweest", zei hij. "Hun inzichten uit de eerste hand als fabrikanten hebben duidelijkheid verschaft over de uitdagingen waarmee hun producten worden geconfronteerd en hebben deuren voor mij geopend om onderzoek te doen en praktische oplossingen te bedenken. Hoewel onze onderzoeken zich in de voorbereidende fase bevinden, zijn de vooruitzichten voor productoptimalisatie veelbelovend."

Meer informatie: Phuc H. Le et al, Apoptose van multiresistente Candida-soorten op microgestructureerde titaniumoppervlakken, Geavanceerde materiaalinterfaces (2023). DOI:10.1002/admi.202300314

Geleverd door RMIT University