Om de lämnas åt sig själva kan bakterier på våra tänder eller skadad hud omsluta sig i en slemmig byggnadsställning och förvandlas till vad som kallas biofilm. Dessa bakterier orsakar förödelse på vår vävnad och eftersom de skyddas från antibiotika av slemmet är de svåra att få bort dem. En ny strategi kan erbjuda ett enkelt sätt att bryta upp mucken och förstöra bakterierna.

Forskare vid University of Pennsylvania och Stanford University har utvecklat sockerbelagda guldnanopartiklar som de använde för att både avbilda och förstöra biofilmer. I en studie publicerad i Journal of Clinical Investigation , visade författarna den diagnostiska och terapeutiska potentialen hos nanopartiklarna på tänderna och sårad hud hos råttor och möss, eliminerade biofilmerna på så lite som en minut och överträffade vanliga antimikrobiella medel.

"Med den här plattformen kan du ta bort biofilmer utan att kirurgiskt debridera infektioner, vilket kan vara nödvändigt när du använder antibiotika. Dessutom kan den här metoden behandla patienter om de är allergiska mot antibiotika eller är infekterade av stammar som är resistenta mot medicin", säger Luisa Russell , Ph.D., en programdirektör vid Division of Discovery Science &Technology vid NIBIB. "Det faktum att den här metoden är antibiotikafri är en enorm styrka."

Orala biofilmer, även kända som plack, bildade av bakterier som Streptococcus mutans kan orsaka betydande karies. Sårinfektioner, som vanligtvis orsakas av Staphylococcus-bakterier, kan avsevärt försena läkningsprocessen. I båda fallen kan det tätt packade nätverket av proteiner och kolhydrater i biofilmer förhindra antibiotika från att nå mikrober i hela det drabbade området.

Men det är inte omfattningen av problemet med biofilmer. De är inte bara svåra att ta bort, utan de är också besvärliga att urskilja i första hand.

Denna nya forskning identifierade en lösning för att slå ut båda problemen med en smäll:guld.

Guld är ogiftigt och omvandlar lätt energi från ljuskällor till värme, vilket gör det till en främsta kandidat för fototermisk terapi, en strategi som använder värmen från nanopartiklar för att döda närliggande patogener. Förutom att generera värme sänder nanopartiklarna ut detekterbara ultraljudsvågor som svar på ljus, vilket innebär att guldpartiklar kan visualiseras med en teknik som kallas fotoakustisk avbildning.

I den nya studien kapslade författarna in guldsfärer i större gyllene burformade nanopartiklar för att optimera deras respons på ljus för både terapeutiska och avbildningsändamål. För att göra partiklarna tilltalande för bakterier belade de dem med dextran, en kolhydrat som är en vanlig byggsten i biofilmer.

Forskarna utvärderade sin strategi genom att applicera guldnanopartiklarna ovanpå S. mutans-infekterade tänder från ex vivo-råttkäkar.

I ett fotoakustiskt avbildningstest på tänderna avgav nanopartiklarna signaler som kom igenom högt och tydligt, vilket gjorde att teamet kunde se exakt var biofilmer hade tagit upp de dextranbelagda partiklarna på tänderna.

Sedan, för att utvärdera partiklarnas terapeutiska effekt, bestrålade de tänderna med en laser. Som jämförelse behandlade de andra infekterade tandprover med det aktuella antiseptiska medlet klorhexidin.

Teamet observerade en stark kontrast i resultaten av de två behandlingarna, där fototermisk terapi var nästan 100 % effektiv för att döda biofilmer, medan klorhexidin inte signifikant minskade bakteriers livsduglighet.

"Behandlingsmetoden är särskilt snabb för oral infektion. Vi applicerade lasern i en minut, men på ungefär 30 sekunder dödar vi i princip alla bakterier", säger studiens första författare Maryam Hajfathalian, Ph.D., en professor i biomedicinsk teknik vid New Jersey Institute of Technology, som genomförde denna studie medan han var postdoktor vid både University of Pennsylvania och Stanford University.

Utvärderingar utförda på möss med öppna sår i huden, infekterade med Staphylococcus aureus, var lika framgångsrika, eftersom värme som genererades av nanopartiklar kraftigt överträffade ett annat antimikrobiellt medel som kallas gentamicin. Här mätte og noterade forskarna också en temperaturökning på 20°C lokaliserad till biofilmen, vilket inte orsakade någon uppenbar skada på omgivande vävnad.

Författarna indikerar att de med ytterligare tester syftar till att visa om strategin kan förhindra håligheter eller påskynda läkning.

"Jag tror att det är viktigt att se hur billig, okomplicerad och snabb den här processen är. Eftersom vi är begränsade till att använda antibiotika behöver vi nya behandlingar som denna som ersättning," sa Hajfathalian.

Mer information: Maryam Hajfathalian et al, Theranostic guld-i-guld bur nanopartiklar möjliggör fototermisk ablation och fotoakustisk avbildning i biofilmassocierade infektionsmodeller, Journal of Clinical Investigation (2023). DOI:10.1172/JCI168485

Tillhandahålls av National Institutes of Health