Sukkerovertrukne guldnanopartikler kan hurtigt eliminere bakterielle infektioner, ingen antibiotika påkrævet

Hvis de overlades til sig selv, kan bakterier på vores tænder eller såret hud omslutte sig i et slimet stillads og blive til det, der kaldes biofilm. Disse bakterier forårsager kaos på vores væv, og da de er beskyttet mod antibiotika af slimet, er de svære at fjerne. En ny strategi kan tilbyde en enkel måde at bryde møget op og ødelægge bakterierne.

Forskere ved University of Pennsylvania og Stanford University har udviklet sukkerbelagte guldnanopartikler, som de brugte til både at afbilde og ødelægge biofilm. I en undersøgelse offentliggjort i Journal of Clinical Investigation , demonstrerede forfatterne det diagnostiske og terapeutiske potentiale af nanopartiklerne på tænderne og såret hud hos rotter og mus, og eliminerede biofilmene på så lidt som et minut og udkonkurrerede almindelige antimikrobielle stoffer.

"Med denne platform kan du buste biofilm uden kirurgisk debridering af infektioner, hvilket kan være nødvendigt, når du bruger antibiotika. Desuden kan denne metode behandle patienter, hvis de er allergiske over for antibiotika eller er inficeret med stammer, der er resistente over for medicin," sagde Luisa Russell , Ph.D., programdirektør i Division of Discovery Science &Technology på NIBIB. "Det faktum, at denne metode er fri for antibiotika, er en kæmpe styrke."

Orale biofilm, også kendt som plaques, dannet af bakterier såsom Streptococcus mutans kan forårsage betydelig karies i tænderne. Sårinfektioner, som ofte er forårsaget af Staphylococcus-bakterier, kan i høj grad forsinke helingsprocessen. I begge tilfælde kan det tætpakkede netværk af proteiner og kulhydrater i biofilm forhindre antibiotika i at nå mikrober i hele det berørte område.

Men det er ikke omfanget af problemet med biofilm. Ikke alene er de svære at fjerne, men de er også besværlige at skelne i første omgang.

Denne nye forskning identificerede en løsning til at slå begge problemer ud med én sten:guld.

Guld er ugiftigt og omdanner let energi fra lyskilder til varme, hvilket gør det til en førsteklasses kandidat til fototermisk terapi, en strategi, der udnytter varmen fra nanopartikler til at dræbe nærliggende patogener. Ud over at generere varme udsender nanopartikler detekterbare ultralydsbølger som reaktion på lys, hvilket betyder, at guldpartikler kan visualiseres ved hjælp af en teknik kaldet fotoakustisk billeddannelse.

I den nye undersøgelse indkapslede forfatterne guldkugler i større gyldne burformede nanopartikler for at optimere deres respons på lys til både terapeutiske og billeddiagnostiske formål. For at gøre partiklerne tiltalende for bakterier, overtrukne de dem med dextran, et kulhydrat, der er en almindelig byggesten i biofilm.

Forskerne vurderede deres strategi ved at anvende guld-nanopartiklerne oven på S. mutans-inficerede tænder fra ex vivo-rottekæber.

I en fotoakustisk billeddannelsestest på tænderne udsendte nanopartiklerne signaler, der kom højt og tydeligt igennem, hvilket gjorde det muligt for holdet at se præcist, hvor biofilm havde optaget de dextran-coatede partikler på tænderne.

Derefter, for at evaluere partiklernes terapeutiske effekt, bestrålede de tænderne med en laser. Til sammenligning behandlede de andre inficerede tænder med det aktuelle antiseptiske middel klorhexidin.

Holdet observerede en skarp kontrast i resultaterne af de to behandlinger, hvor den fototermiske terapi var næsten 100 % effektiv til at dræbe biofilm, mens klorhexidin ikke formindskede bakteriers levedygtighed væsentligt.

"Behandlingsmetoden er især hurtig for den orale infektion. Vi påførte laseren i et minut, men i virkeligheden dræber vi på cirka 30 sekunder stort set alle bakterierne," sagde undersøgelsens første forfatter Maryam Hajfathalian, Ph.D., en professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab ved New Jersey Institute of Technology, som udførte denne undersøgelse, mens han var postdoktor ved både University of Pennsylvania og Stanford University.

Evalueringer udført på mus med åbne sår i deres hud, inficeret med Staphylococcus aureus, var på samme måde vellykkede, da varme genereret af nanopartikler i høj grad udkonkurrerede et andet antimikrobielt middel kaldet gentamicin. Her målte og noterede forskerne også en temperaturstigning på 20°C lokaliseret til biofilmen, hvilket ikke forårsagede nogen synlig skade på omgivende væv.

Forfatterne angiver, at de med yderligere test sigter mod at vise, om strategien kan forhindre hulrum eller fremskynde helingen.

"Jeg tror, ​​det er vigtigt at se, hvor billig, ligetil og hurtig denne proces er. Da vi er begrænsede i at bruge antibiotika, har vi brug for nye behandlinger som denne som erstatning," sagde Hajfathalian.

Flere oplysninger: Maryam Hajfathalian et al., Theranostic guld-i-guld bur nanopartikler muliggør fototermisk ablation og fotoakustisk billeddannelse i biofilm-associerede infektionsmodeller, Journal of Clinical Investigation (2023). DOI:10.1172/JCI168485

Leveret af National Institutes of Health