Forskare vid EPFL har utvecklat en spelförändrande teknik som använder ljus för att manipulera och identifiera enskilda bakteriofager utan behov av kemiska märkningar eller bioreceptorer, vilket kan påskynda och revolutionera fagbaserade terapier som kan behandla antibiotikaresistenta bakterieinfektioner.
Med antibiotikaresistens hotande som ett formidabelt hot mot vår hälsa, är forskare på ett ständigt sökande efter alternativa sätt att behandla bakterieinfektioner. Eftersom fler och fler bakteriestammar överlista läkemedel som vi har förlitat oss på i decennier, kan en möjlig alternativ lösning hittas i bakteriofager, som är virus som förgriper sig på bakterier.
Fagterapi, användningen av bakteriofager för att bekämpa bakteriella infektioner, vinner attraktion som ett gångbart alternativ till traditionella antibiotika. Men det finns en hake:Att hitta rätt fag för en given infektion är som att söka efter en nål i en höstack, medan nuvarande metoder involverar besvärlig odling, tidskrävande analyser.
Nu har forskare vid EPFL, i samarbete med CEA Grenoble och Lausanne University Hospital (CHUV) utvecklat on-chip nanotweezers som kan fånga och manipulera enskilda bakterier och virioner (den smittsamma formen av ett virus) med en minimal mängd optisk kraft . Studien, ledd av Nicolas Villa och Enrico Tartari i Romuald Houdrés grupp vid EPFL, publiceras i tidskriften Small .
Nanotweezer är en typ av optisk pincett, vetenskapliga instrument som använder en högfokuserad laserstråle för att hålla och manipulera mikroskopiska (t.ex. virioner) och till och med submikroskopiska objekt som atomer i tre dimensioner. Ljuset skapar en gradientkraft som attraherar partiklarna mot en högintensiv brännpunkt och effektivt håller dem på plats utan fysisk kontakt.
Optisk pincett uppfanns först 1986 av fysikern Arthur Ashkin som arbetade fram principerna bakom dem i slutet av 1960-talet. Ashkins tekniska innovation gav honom Nobelpriset i fysik 2018, och optiska pincett är fortfarande ett intensivt forskningsfält.
Det finns olika typer av optiska pincett. Till exempel kan en optisk pincett med fritt utrymme manipulera ett föremål i en öppen miljö som luft eller vätska utan några fysiska barriärer eller strukturer som styr ljuset. Men i den här studien byggde forskarna nanotweezers inbäddade i en optofluidisk enhet som integrerar optisk och fluidteknologi på ett enda chip.
Chipet innehåller kiselbaserade fotoniska kristallhåligheter - nanotweezers, som i huvudsak är små fällor som försiktigt knuffar fagerna på plats med hjälp av ett ljusgenererat kraftfält. Systemet gjorde det möjligt för forskarna att exakt kontrollera enstaka bakterier och enstaka virioner och få information om de fångade mikroorganismerna i realtid.
Det som skiljer detta tillvägagångssätt är att det kan skilja mellan olika typer av fager utan att använda några kemiska märkningar eller ytbioreceptorer, vilket kan vara tidskrävande och ibland ineffektivt. Istället skiljer nanotweezers mellan fager genom att läsa de unika förändringar varje partikel orsakar i ljusets egenskaper. Den etikettfria metoden kan avsevärt påskynda valet av terapeutiska fager, vilket lovar snabbare vändning för potentiella fagbaserade behandlingar.
Forskningen har också implikationer utöver fagterapi. Att kunna manipulera och studera enstaka virioner i realtid öppnar nya vägar inom mikrobiologisk forskning, vilket erbjuder forskare ett kraftfullt verktyg för snabba tester och experiment. Detta kan leda till en djupare förståelse för virus och deras interaktioner med värdar, vilket är ovärderligt i den pågående kampen mot infektionssjukdomar.
Mer information: Nicolas Villa et al, Optical Trapping and Fast Discrimination of Label-Free Bacteriophages at the Single Virion Level, Small (2024). DOI:10.1002/smll.202308814
Journalinformation: Liten
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
