Lys og nanoteknologi kombineret for at forhindre biofilm på medicinske implantater

Opfundet for cirka 50 år siden, kirurgiske medicinske masker er blevet nøgleelementer i genopretningsprocedurerne for operationer med beskadiget væv, den hyppigste er brok reparation. Når det implanteres i patientens væv, det fleksible og tilpassede design af disse masker hjælper med at holde musklerne stramme og giver patienterne mulighed for at komme sig meget hurtigere end ved den konventionelle så- og syningsoperation.

Imidlertid, indsættelse af et medicinsk implantat i en patients krop medfører sideløbende risiko for bakteriel kontaminering under operation og efterfølgende dannelse af en infektiøs biofilm over overfladen af ​​det kirurgiske net. Sådanne biofilm har en tendens til at virke som en uigennemtrængelig belægning, forhindrer enhver form for antibiotika i at nå og angribe bakterierne dannet på filmen for at stoppe infektionen. Dermed, antibiotikabehandlinger, som er tidsbegrænsede, kunne fejle mod disse superresistente bakterier, og patienten kan ende i tilbagevendende operationer, der endda kan føre til døden. Faktisk, ifølge European Antimicrobial Resistance Surveillance Network (EARS-Net), i 2015 mere end 30, 000 dødsfald i Europa var forbundet med infektioner med antibiotika-resistente bakterier.

I fortiden, flere tilgange er blevet søgt for at forhindre implantatkontamination under operationen. Aseptiske protokoller efter operation er blevet etableret og implementeret for at bekæmpe disse antibiotika-resistente bakterier, men ingen har helt opfyldt rollen med at løse dette problem.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Nano bogstaver og fremhævet i Naturfotonik , ICFO-forskere Dr. Ignacio de Miguel, Arantxa Albornoz, ledet af ICREA Prof. ved ICFO Romain Quidant, i samarbejde med forskerne Irene Prieto, Dr. Vanesa Sanz, Dr. Christine Weis og Dr. Pau Turon fra det store medicinske udstyr og farmaceutiske udstyr selskab B. Braun, har udtænkt en ny teknik, der bruger nanoteknologi og fotonik til dramatisk at forbedre ydeevnen af ​​medicinske masker til kirurgiske implantater.

Gennem et løbende samarbejde siden 2012, holdet af forskere ved ICFO og B. Braun Surgical, S.A., udviklet et medicinsk mesh med en særlig funktion:overfladen af ​​nettet blev kemisk modificeret til at forankre millioner af guld-nanopartikler. Hvorfor? Fordi guld nanopartikler har vist sig meget effektivt at omdanne lys til varme i meget lokale områder.

Teknikken med at bruge guld nanopartikler i lys-varme konverteringsprocesser var allerede blevet testet i kræftbehandlinger i tidligere undersøgelser. Endnu mere, på ICFO var denne teknik blevet implementeret i flere tidligere undersøgelser støttet af Cellex Foundation, er således endnu et iøjnefaldende eksempel på, hvordan tidlig visionær filantropisk støtte til at tackle fundamentale problemer i sidste ende fører til vigtige praktiske anvendelser. For dette særlige tilfælde, ved at vide, at mere end 20 millioner brokreparationsoperationer finder sted hvert år rundt om i verden, de mente, at denne metode kunne reducere de medicinske omkostninger ved tilbagevendende operationer og samtidig eliminere de dyre og ineffektive antibiotikabehandlinger, der i øjeblikket anvendes til at tackle dette problem.

Dermed, i deres in vitro-eksperiment og gennem en grundig proces, holdet beklædte det kirurgiske net med millioner af guld nanopartikler, jævnt fordelt over hele strukturen. De testede maskerne for at sikre partiklernes langsigtede stabilitet, materialets ikke-nedbrydning, og manglende løsrivelse eller frigivelse af nanopartikler til det omgivende miljø (kolbe). De var i stand til at observere en homogen fordeling af nanopartiklerne over strukturen ved hjælp af et scanningselektronmikroskop.

Når det modificerede net var klar, holdet udsatte det for S.aureus-bakterier i 24 timer, indtil de observerede dannelsen af ​​en biofilm på overfladen. Efterfølgende de begyndte at udsætte nettet for korte intense pulser af nær infrarødt lys (800 nm) i løbet af 30 sekunder for at sikre termisk ligevægt, før du gentager denne behandling 20 gange med 4 sekunders hvileintervaller mellem hver puls. De opdagede følgende:For det første, de så, at belysning af nettet ved den specifikke frekvens ville inducere lokaliserede overfladeplasmonresonanser i nanopartiklerne - en tilstand, der resulterer i effektiv omdannelse af lys til varme, forbrænding af bakterierne på overfladen. For det andet ved at bruge et konfokalt fluorescensmikroskop, de så, hvor meget af bakterierne, der var døde eller stadig var i live. For de bakterier, der forblev i live, de observerede, at biofilmbakterierne blev til planktonceller, genvinde deres følsomhed eller svaghed over for antibiotikabehandling og immunsystemets respons. For de døde bakterier, de observerede, at efter at øge mængden af ​​lys leveret til overfladen af ​​nettet, bakterierne ville miste deres vedhæftning og skalle af overfladen. For det tredje, de bekræftede, at drift ved nær infrarødt lys var fuldstændig kompatibelt med in-vivo-indstillinger, hvilket betyder, at en sådan teknik højst sandsynligt ikke ville skade det omgivende sunde væv. Endelig, de gentog behandlingen og bekræftede, at den tilbagevendende opvarmning af nettet ikke havde påvirket dets konverteringseffektivitetsevner.

Som ICREA-professor ved ICFO Romain Quidant kommenterer, "resultaterne af denne undersøgelse har banet vejen for at bruge plasmon nanoteknologier til at forhindre dannelsen af ​​bakteriel biofilm på overfladen af ​​kirurgiske implantater. Der er stadig flere problemer, der skal behandles, men det er vigtigt at understrege, at en sådan teknik faktisk vil betyde en radikal ændring i operationsprocedurer og yderligere patient efter bedring."

Dr. Pau Turon, Direktør for forskning og udvikling hos B. Braun Surgical, S.A. forklarer, "vores forpligtelse til at hjælpe sundhedspersonale med at undgå hospitalsrelaterede infektioner presser os til at udvikle nye strategier til at bekæmpe bakterier og biofilm. Derudover, forskerholdet undersøger for at udvide sådan teknologi til andre sektorer, hvor biofilm skal undgås."