Denna svepelektronmikroskopbild avslöjar hur Staphylococcus Aureus-celler fysiskt interagerar med en nanostruktur. En bakteriecell (blå) är inbäddad i den ihåliga nanopelarens hål och flera celler klamrar sig fast vid nanopelarens böjda väggar. Kredit:Mofrad lab och Nanomechanics Research Institute
Bakterien Staphylococcus aureus ( S. aureus ) är en vanlig källa till infektioner som uppstår efter operationer som involverar lederproteser och konstgjorda hjärtklaffar. Den druvformade mikroorganismen fäster vid medicinsk utrustning, och om det kommer in i kroppen, det kan orsaka en allvarlig och till och med livshotande sjukdom som kallas en Staph-infektion. Den senaste upptäckten av läkemedelsresistenta stammar av S. aureus gör saken ännu värre.
En Staph-infektion kan inte starta om inte Stafylokock celler klamrar sig först fast vid en yta, dock, vilket är anledningen till att forskare arbetar hårt med att utforska bakterieresistenta material som en försvarslinje.
Denna forskning har nu gått i nanoskala, tack vare ett team av forskare ledda av Berkeley Lab-forskare. De undersökte, för första gången, hur individuellt S. aureus celler glom på metalliska nanostrukturer av olika former och storlekar som inte är mycket större än själva cellerna.
De fann att bakteriell vidhäftning och överlevnad varierar beroende på nanostrukturens form. Deras arbete skulle kunna leda till en mer nyanserad förståelse för vad som gör en yta mindre inbjudande för bakterier.
"Genom att förstå bakteriers preferenser under vidhäftning, medicinska implantatanordningar kan tillverkas för att innehålla ytegenskaper som är immuna mot bakterievidhäftning, utan krav på några kemiska modifieringar, säger Mohammad Mofrad, en fakultetsforskare vid Berkeley Labs avdelning för fysiska biovetenskaper och professor i bioteknik och maskinteknik vid UC Berkeley.
Mofrad genomförde forskningen med Zeinab Jahed vid Physical Biosciences Division, huvudförfattaren till studien och en doktorand i Mofrads UC Berkeley Molecular Cell Biomechanics Laboratory, i samarbete med forskare från Kanadas University of Waterloo.
Svepelektronmikroskopibild av bakterieceller (blå) hängande från den svampformade nanostrukturens överhäng. Kredit:Mofrad lab och Nanomechanics Research Institute
Deras forskning publicerades nyligen online i tidskriften Biomaterial .
Forskarna använde först elektronstrålelitografi och galvaniseringstekniker för att tillverka nickelnanostrukturer av olika former, inklusive solida pelare, urholkade pelare, c-formade pelare, och x-formade kolumner. Dessa funktioner har ytterdiametrar så små som 220 nanometer. De skapade också svampformade nanostrukturer med små stjälkar och stora överhäng.
De introducerade S. aureus celler till dessa strukturer, gav cellerna tid att fastna, och sköljde sedan strukturerna med avjoniserat vatten för att avlägsna alla utom de mest fast bundna bakterierna.
Svepelektronmikroskopi visade vilka former som är mest effektiva för att hämma bakteriell vidhäftning. Forskarna observerade högre överlevnadshastigheter för bakterier på de rörformade pelarna, där enskilda celler delvis var inbäddade i hålen. I kontrast, pelare utan hål hade den lägsta överlevnaden.
Det fann forskarna också S. aureus celler kan fästa på ett brett spektrum av ytor. Cellerna fäster inte bara vid horisontella ytor, som förväntat, men till mycket böjda drag, såsom sidoväggarna på pelare. Cellerna kan också hänga från överhängen av svampformade nanostrukturer.
"Bakterierna verkar känna av ytans nanotopografi och bilda starkare vidhäftningar på specifika nanostrukturer, säger Jahed.
