När de goda och dåliga bakterierna i vår mun blir obalanserade, de dåliga bakterierna bildar en biofilm (aka plack), som kan orsaka hålrum, och om den lämnas obehandlad över tid, kan leda till kardiovaskulära och andra inflammatoriska sjukdomar som diabetes och bakteriell lunginflammation.

Ett team av forskare från University of Illinois har nyligen tagit fram en praktisk nanoteknikbaserad metod för att upptäcka och behandla de skadliga bakterier som orsakar plack och leder till karies och andra skadliga tillstånd.

Bioteknik Docent Dipanjan Pan (sittande) och doktoranden Fatemeh Ostadhossein har visat en drogfri, nanoteknikbaserad metod för att upptäcka och förstöra de bakterier som orsakar tandplack.

Oral plack är osynlig för ögat så tandläkare visualiserar det för närvarande med avslöjande medel, som de administrerar till patienter i form av en upplösbar tablett eller en penselpinne. Även om det är användbart för att hjälpa patienter att se omfattningen av deras plack, dessa metoder kan inte identifiera skillnaden mellan bra och dåliga bakterier.

"Nu på kliniken, upptäckt av tandplack är mycket subjektivt och beror bara på tandläkarens visuella utvärdering, " sa bioingenjörsdocent Dipanjan Pan, chef för forskargruppen. "Vi har för första gången visat att tidig upptäckt av tandplack på kliniken är möjlig med den vanliga intraorala röntgenapparaten som kan söka upp skadliga bakteriepopulationer."

För att åstadkomma detta, Fatemeh Ostadhossein, en bioingenjörsstudent i Pans grupp, utvecklat en plackdetektionssond som fungerar tillsammans med vanlig röntgenteknik och som kan hitta specifika skadliga bakterier som kallas Streptococcus mutans (S. mutans) i ett komplext biofilmnätverk. Dessutom, de visade också att genom att justera den kemiska sammansättningen av sonden, den kan användas för att målinrikta och förstöra S. mutans-bakterierna.

Sonden består av nanopartiklar gjorda av hafniumoxid (HfO2), en giftfri metall som för närvarande är under klinisk prövning för internt bruk hos människor. I deras studie, teamet visade effekten av sonden för att identifiera biokemiska markörer som finns på ytan av den bakteriella biofilmen och samtidigt förstöra S. mutans. De genomförde sin studie på Sprague Dawley-råttor.

I praktiken, Pan föreställer sig en tandläkare som applicerar sonden på patientens tänder och använder röntgenapparaten för att noggrant visualisera omfattningen av biofilmplacket. Om placket anses allvarligt, sedan skulle tandläkaren följa upp med administreringen av de terapeutiska HfO2-nanopartiklarna i form av en tandpasta.

I deras studie, teamet jämförde den terapeutiska förmågan hos deras nanopartiklar med klorhexidin, en kemikalie som för närvarande används av tandläkare för att utrota biofilm. "Våra HfO2-nanopartiklar är mycket effektivare när det gäller att döda bakterierna och minska biofilmbelastningen både i cellkulturer av bakterier och i [infekterade] råttor, sade Ostadhossein, noterar att deras nya teknik också är mycket säkrare än konventionell behandling.

Nanopartiklarnas terapeutiska effekt beror på sa Pan, till deras unika ytkemi, som ger en spärr- och dödningsmekanism. "Denna mekanism skiljer vårt arbete från tidigare eftersträvade nanopartikelbaserade tillvägagångssätt där den medicinska effekten kommer från antibiotika inkapslad i partiklarna, sa Pan, också en fakultetsmedlem vid Carle Illinois College of Medicine och Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "Detta är bra eftersom vårt tillvägagångssätt undviker antibiotikaresistensproblem och det är säkert och mycket skalbart, vilket gör den väl lämpad för eventuell klinisk översättning."

Förutom Pan och Ostadhossein, andra medlemmar av forskargruppen inkluderar bioingenjörspostdoktorn Santosh Misra, gästforskare Indu Tripathi, grundexamen Valeriya Kravchuk, gästforskare Gururaja Vulugundam; och Veterinärmedicin klinisk biträdande professor Denae LoBato och adjungerad biträdande professor Laura Selmic.

Deras arbete beskrivs i tidningen, "Hafniumoxidnanopartiklar med dubbla ändamål erbjuder avbildning av Streptococcus mutans dental biofilm och bekämpar den in vivo via ett drogfritt tillvägagångssätt, " publicerades online den 30 juli, 2018, i journalen Biomaterial .