Superbug-killer: nieuwe nanotechnologie vernietigt bacteriën en schimmelcellen

Onderzoekers hebben een nieuwe superbe-vernietigende coating ontwikkeld die op wondverbanden en implantaten kan worden gebruikt om mogelijk dodelijke bacteriële en schimmelinfecties te voorkomen en te behandelen.

Het materiaal is een van de dunste antimicrobiële coatings die tot nu toe zijn ontwikkeld en is effectief tegen een breed scala aan medicijnresistente bacteriën en schimmelcellen, terwijl de menselijke cellen ongedeerd blijven.

Antibioticaresistentie is een grote wereldwijde bedreiging voor de gezondheid en veroorzaakt jaarlijks minstens 700.000 doden. Zonder de ontwikkeling van nieuwe antibacteriële therapieën zou het dodental tegen 2050 kunnen oplopen tot 10 miljoen mensen per jaar, wat neerkomt op $ 100 biljoen aan gezondheidszorgkosten.

Hoewel de gezondheidsbelasting van schimmelinfecties minder wordt erkend, doden ze wereldwijd jaarlijks ongeveer 1,5 miljoen mensen en neemt het dodental toe. Een opkomende bedreiging voor in het ziekenhuis opgenomen COVID-19-patiënten is bijvoorbeeld de veel voorkomende schimmel Aspergillus, die dodelijke secundaire infecties kan veroorzaken.

De nieuwe coating van een team onder leiding van RMIT University is gebaseerd op een ultradun 2D-materiaal dat tot nu toe vooral interessant was voor de volgende generatie elektronica.

Studies naar zwarte fosfor (BP) hebben aangetoond dat het enkele antibacteriële en schimmelwerende eigenschappen heeft, maar het materiaal is nooit methodisch onderzocht op mogelijk klinisch gebruik.

Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift van de American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces, onthult dat BP effectief is in het doden van microben wanneer het wordt verspreid in nanodunne lagen op oppervlakken zoals titanium en katoen, die worden gebruikt om implantaten en wondverbanden te maken.

Mede-hoofdonderzoeker Dr. Aaron Elbourne zei dat het vinden van één materiaal dat zowel bacteriële als schimmelinfecties kon voorkomen, een aanzienlijke vooruitgang was.

“Deze ziekteverwekkers zijn verantwoordelijk voor enorme gezondheidsbelastingen en naarmate de resistentie tegen geneesmiddelen blijft groeien, wordt ons vermogen om deze infecties te behandelen steeds moeilijker”, zei Elbourne, een postdoctoraal onderzoeker aan de School of Science bij RMIT.

“We hebben slimme nieuwe wapens nodig voor de oorlog tegen superbacteriën, die niet bijdragen aan het probleem van antimicrobiële resistentie.

“Onze nanothin-coating is een dubbele insectenverdelger die bacteriën en schimmelcellen uit elkaar scheurt, iets waar microben zich moeilijk aan zullen aanpassen. Het zou miljoenen jaren duren om op natuurlijke wijze nieuwe verdedigingsmechanismen te ontwikkelen voor zo’n dodelijke fysieke aanval.

“Hoewel we verder onderzoek nodig hebben om deze technologie in klinische omgevingen toe te kunnen passen, is het een opwindende nieuwe richting in de zoektocht naar effectievere manieren om deze ernstige gezondheidsuitdaging aan te pakken.”

Co-hoofdonderzoeker Universitair hoofddocent Sumeet Walia, van de School of Engineering van RMIT, heeft eerder baanbrekende onderzoeken geleid met BP voor kunstmatige-intelligentietechnologie en hersen-nabootsende elektronica.

“BP breekt af in de aanwezigheid van zuurstof, wat normaal een enorm probleem is voor elektronica en iets dat we moesten overwinnen met nauwgezette precisie-engineering om onze technologieën te ontwikkelen,” zei Walia.

“Maar het blijkt dat materialen die gemakkelijk worden afgebroken met zuurstof, ideaal kunnen zijn om microben te doden – dat is precies wat de wetenschappers die aan antimicrobiële technologieën werkten, zochten.

“Dus ons probleem was hun oplossing.”

Hoe de nanothin-insectenmoordenaar werkt

Terwijl BP afbreekt, oxideert het het oppervlak van bacteriën en schimmelcellen. Dit proces, bekend als cellulaire oxidatie, werkt uiteindelijk om ze uit elkaar te scheuren.

In de nieuwe studie, eerste auteur en Ph.D. Onderzoeker Zo Shaw testte de effectiviteit van nanodeeltjeslagen van BP tegen vijf veel voorkomende bacteriestammen, waaronder E. coli en medicijnresistente MRSA, evenals vijf soorten schimmels, waaronder Candida auris.

In slechts twee uur tijd was tot 99% van de bacteriële en schimmelcellen vernietigd.

Belangrijk is dat de BP in die tijd ook begon te verslechteren en binnen 24 uur volledig uiteenviel – een belangrijk kenmerk dat aantoont dat het materiaal zich niet ophoopt in het lichaam.

De laboratoriumstudie identificeerde de optimale niveaus van BP die een dodelijk antimicrobieel effect hebben, terwijl de menselijke cellen gezond en heel blijven.

De onderzoekers zijn nu begonnen te experimenteren met verschillende formuleringen om de werkzaamheid op een reeks medisch relevante oppervlakken te testen.

Het team werkt graag samen met potentiële industriepartners om de technologie, waarvoor een voorlopige octrooiaanvraag is ingediend, verder te ontwikkelen.