En ny studie tyder på att grova ytor inspirerade av de bakteriedödande spikarna på insektsvingar kan vara mer effektiva för att bekämpa läkemedelsresistenta superbugs, inklusive svamp, än vad man tidigare förstått.
Den ökande andelen läkemedelsresistenta infektioner gör hälsoexperter globalt oroade.
För att undvika infektion runt implantat – som titanhöfter eller tandproteser – använder läkare en rad antimikrobiella beläggningar, kemikalier och antibiotika, men dessa kan inte stoppa antibiotikaresistenta stammar och kan till och med öka resistensen.
För att möta dessa utmaningar har forskare från RMIT University designat ett mönster av mikroskaliga spikar som kan etsas på titanimplantat eller andra ytor för att ge effektivt, drogfritt skydd mot både bakterier och svamp.
Teamets studie publicerad i Advanced Materials Interfaces testade effektiviteten hos den förändrade titanytan för att döda multiläkemedelsresistent Candida – en potentiellt dödlig svamp som är ansvarig för en av tio sjukhusförvärvade medicintekniska infektioner.
De specialdesignade spikarna, var och en av en höjd som liknar den hos en bakteriecell, förstörde ungefär hälften av cellerna strax efter kontakt.
Det är viktigt att den andra hälften som inte förstördes omedelbart gjordes olämplig på grund av de ådragna skadorna, oförmögna att fortplanta sig eller orsaka infektion.
Ledande postdoktor, Dr. Denver Linklater, sa att metabolisk analys av proteinaktivitet avslöjade att både Candida albicans och multi-läkemedelsresistenta Candida auris svampceller som sitter skadade på ytan var så gott som döda.
"Candida-cellerna som skadades genomgick omfattande metabolisk stress, vilket förhindrade processen där de reproducerar sig för att skapa en dödlig svampbiofilm, även efter sju dagar", säger Linklater, från RMITs School of Science. "De kunde inte återupplivas i en icke-stressmiljö och så småningom stängas av i en process som kallas apoptos eller programmerad celldöd."
Ytans effektivitet mot vanliga patogena bakterier inklusive gyllene staph demonstrerades i en tidigare studie publicerad i Materiala .
Gruppledare, framstående professor Elena Ivanova, sa att de senaste rönen kastar ljus över utformningen av svampdödande ytor för att förhindra biofilmbildning av farliga, multi-läkemedelsresistenta jästsvampar.
"Det faktum att celler dog efter första kontakt med ytan - vissa genom att sprängas och andra genom programmerad celldöd strax efter - tyder på att motstånd mot dessa ytor inte kommer att utvecklas", sa hon. "Detta är ett betydande fynd och tyder också på att sättet vi mäter effektiviteten hos antimikrobiella ytor kan behöva tänkas om."
Framsteg har gjorts under det senaste decenniet när det gäller att designa ytor som dödar superbuggar vid kontakt. Men att hitta rätt typer av ytmönster för att eliminera 100 % av mikroberna så att vissa inte överlever för att bli resistenta är en ständig utmaning.
"Denna senaste studie tyder på att det kanske inte är helt nödvändigt för alla ytor att eliminera alla patogener omedelbart vid kontakt om vi kan visa att ytorna orsakar programmerad celldöd i de överlevande cellerna, vilket betyder att de dör oavsett", sa hon. P>
RMIT:s Multifunctional Mechano-biocidal Materials Research Group har lett världen i över ett decennium i utvecklingen av antimikrobiella ytor inspirerade av nanopelarna som täcker trollslända och cikadvingar. Ivanova var själv bland de första att observera hur när bakterier sätter sig på en insektsvinge, drar mönstret av nanopelare isär cellerna, vilket dödligt spränger membranen.
"Det är som att sträcka ut en latexhandske," sa Ivanova. "När den långsamt sträcker sig kommer den svagaste punkten i latexen att bli tunnare och så småningom slitas sönder."
Hennes team har ägnat det senaste decenniet åt att replikera dessa insekters nanopelare i sina egna nanomönster, med detta senaste framsteg som uppnåtts med en teknik som kallas plasmaetsning för att skapa det antibakteriella och svampdödande mönstret i titan.
Ivanova sa att den relativt enkla etsningstekniken kunde optimeras och tillämpas på ett brett utbud av material och applikationer.
"Denna nya teknik för ytmodifiering kan ha potentiella tillämpningar i medicinsk utrustning men kan också enkelt anpassas för dentala tillämpningar eller för andra material som bänkar av rostfritt stål som används i livsmedelsproduktion och jordbruk", sa hon.
Studie huvudförfattare och gemensam Ph.D. kandidat vid RMIT och ARC Research Hub for Australian Steel Manufacturing, Phuc Le, sa att ett nära samarbete med industripartnern BlueScope Steel hjälpte till att fokusera ansträngningarna på praktiska lösningar för industrin.
"Att samarbeta med industriella partners har varit en omvälvande aspekt av min doktorandresa", sa han. "Deras förstahandsinsikter som tillverkare har gett klarhet i de utmaningar som deras produkter står inför och öppnat dörrar för mig att forska och ta fram praktiska lösningar. Medan våra studier befinner sig i det preliminära skedet, är utsikterna för produktoptimering lovande."
Mer information: Phuc H. Le et al, Apoptosis of Multi-Drug Resistant Candida Species på mikrostrukturerade titaniumytor, Avancerade materialgränssnitt (2023). DOI:10.1002/admi.202300314
Tillhandahålls av RMIT University
