Nanotweezers manipulerer bakteriofager med minimal optisk kraft, et gennembrud for fagterapi

Forskere ved EPFL har udviklet en spilskiftende teknik, der bruger lys til at manipulere og identificere individuelle bakteriofager uden behov for kemiske mærker eller bioreceptorer, hvilket potentielt accelererer og revolutionerer fagbaserede terapier, der kan behandle antibiotika-resistente bakterieinfektioner.

Med antibiotikaresistens truende som en formidabel trussel mod vores sundhed, er forskerne på konstant jagt efter alternative måder at behandle bakterielle infektioner på. Efterhånden som flere og flere bakteriestammer udkonkurrerer lægemidler, vi har været afhængige af i årtier, kan en mulig alternativ løsning findes i bakteriofager, som er vira, der forgriber sig på bakterier.

Fagterapi, brugen af ​​bakteriofager til at bekæmpe bakterielle infektioner, vinder tiltrækning som et levedygtigt alternativ til traditionelle antibiotika. Men der er en hage:At finde den rigtige fag til en given infektion er som at søge efter en nål i en høstak, mens de nuværende metoder involverer besværlig dyrkning, tidskrævende analyser.

Nu har forskere ved EPFL i samarbejde med CEA Grenoble og Lausanne University Hospital (CHUV) udviklet on-chip nanotweezere, der kan fange og manipulere individuelle bakterier og virioner (den infektiøse form af en virus) ved at bruge en minimal mængde optisk kraft . Undersøgelsen, ledet af Nicolas Villa og Enrico Tartari i gruppen af ​​Romuald Houdré ved EPFL, er offentliggjort i tidsskriftet Small .

Nanotweezer er en type optisk pincet, videnskabelige instrumenter, der bruger en meget fokuseret laserstråle til at holde og manipulere mikroskopiske (f.eks. virioner) og endda submikroskopiske objekter som atomer i tre dimensioner. Lyset skaber en gradientkraft, der tiltrækker partiklerne mod et højintensivt brændpunkt og effektivt holder dem på plads uden fysisk kontakt.

Optisk pincet blev først opfundet i 1986 af fysikeren Arthur Ashkin, som udarbejdede principperne bag dem i slutningen af ​​1960'erne. Ashkins teknologiske innovation gav ham Nobelprisen i fysik i 2018, og optiske pincet er fortsat et intenst forskningsfelt.

Der findes forskellige typer optiske pincet. For eksempel kan en optisk pincet med fri plads manipulere en genstand i et åbent miljø såsom luft eller væske uden fysiske barrierer eller strukturer, der styrer lyset. Men i denne undersøgelse byggede forskerne nanotweezere indlejret i en optofluidisk enhed, der integrerer optiske og fluidiske teknologier på en enkelt chip.

Chippen indeholder siliciumbaserede fotoniske krystalhulrum - nanotweezerene, som i det væsentlige er små fælder, der forsigtigt skubber fagerne på plads ved hjælp af et lysgenereret kraftfelt. Systemet gjorde det muligt for forskerne præcist at kontrollere enkelte bakterier og enkelte virioner og tilegne sig information om de fangede mikroorganismer i realtid.

Det, der adskiller denne tilgang, er, at den kan skelne mellem forskellige typer fager uden at bruge nogen kemiske mærker eller overfladebioreceptorer, hvilket kan være tidskrævende og nogle gange ineffektivt. I stedet skelner nanotweezerene mellem fager ved at læse de unikke ændringer, hver partikel forårsager i lysets egenskaber. Den etiketfri metode kan markant fremskynde udvælgelsen af ​​terapeutiske fager, hvilket lover hurtigere vending for potentielle fag-baserede behandlinger.

Forskningen har også implikationer ud over fagterapi. At være i stand til at manipulere og studere enkelte virioner i realtid åbner nye veje inden for mikrobiologisk forskning, og tilbyder forskere et kraftfuldt værktøj til hurtig test og eksperimentering. Dette kan føre til en dybere forståelse af vira og deres interaktioner med værter, hvilket er uvurderligt i den igangværende kamp mod infektionssygdomme.

Flere oplysninger: Nicolas Villa et al., Optical Trapping and Fast Discrimination of Label-Free Bacteriophages at the Single Virion Level, Small (2024). DOI:10.1002/sml.202308814

Journaloplysninger: Lille

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne