Nanomateriaal met ‘lichtschakelaar’ doodt Gram-negatieve of Gram-positieve bacteriën

Gezondheidszorggerelateerde infecties zijn een veelvoorkomend probleem bij de etterende wondverzorging, evenals de toename van multiresistente bacteriën. Om bacteriële infecties effectief en selectief te bestrijden heeft een team van onderzoekers een bacteriedodend nanomateriaal ontwikkeld dat is uitgerust met een fotochemische “lichtschakelaar” die zowel tegen Gram-positieve als Gram-negatieve bacteriën kan worden gericht.

Zoals het team rapporteert in hun onderzoek gepubliceerd in Angewandte Chemiekan de effectiviteit ervan tegen MRSA worden uitgebreid tot andere selectieve bacteriële infecties.

Antibioticaresistente infecties zijn een urgent probleem voor de volksgezondheid geworden, vooral in ziekenhuizen. Veel van de betreffende bacteriesoorten zijn wijdverspreid van aard, maar kunnen bij immuungecompromitteerde patiënten veel ernstiger, soms onbehandelbare, infecties veroorzaken.

Bacteriedodende materialen bieden een nieuwe aanpak voor de bestrijding van gezondheidszorggerelateerde infecties die niet afhankelijk is van antibiotica. Mrinmoy De en collega’s van het Indian Institute of Science in Bengaluru, India, zijn er nu in geslaagd een op UV-zichtbaar licht reagerend nanomateriaal te produceren dat kan worden omgeschakeld om zich te richten op Gram-positieve of Gram-negatieve bacteriën.

Beide bacterietypen hebben zeer verschillende buitenmembraanstructuren en samenstellingen. Gram-positieve bacteriën, waaronder methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA), hebben een bacterieel membraan dat voornamelijk uit peptidoglycanen bestaat.

Gram-negatieve bacteriën, waaronder Pseudomonas aeruginosa, een andere gezondheidszorggerelateerde bacterie met problematische resistentie tegen breedbandantibiotica, hebben daarentegen zowel een binnen- als een buitenmembraan dat voornamelijk bestaat uit fosfolipiden met een dunne peptidoglycaanlaag. “Het is belangrijk om stamselectieve bacteriedodende activiteit te bereiken”, zegt De.

Om een ​​bacteriedodend middel te verkrijgen dat selectief kan interageren met beide chemische oppervlakken, ontwierp het team een ​​gefunctionaliseerd nanomateriaal gemaakt van molybdeendisulfide (MoS₂) met azobenzeengroepen waaraan positief geladen quaternaire aminogroepen waren gehecht. Terwijl MoS₂ is een bactericide en de quaternaire aminogroepen maken membraandepolarisatie mogelijk, de azobenzeengroepen introduceren een door licht aangedreven schakelaar in de nanostructuur van een langwerpige trans naar een gebogen cis-vorm om selectieve oppervlakte-interacties te creëren.

Het team gebruikte verschillende chemische sondes en optische metingen om vast te stellen dat zowel de cis- als de trans-vorm van het nanomateriaal bacteriën doodden, zij het op heel verschillende manieren.

Voor de Gram-negatieve P. aeruginosa depolariseerde de trans-vorm het bacteriële membraan en doorboorde het grondig. Hierdoor kon het MoS₂ nanomateriaal om intracellulaire reactieve zuurstofsoorten te genereren en de bacteriën te doden. Omgekeerd reageerde de Gram-positieve MRSA-stam effectiever op de cis-vorm. In dit geval werd de celwand beschadigd en gescheurd door specifieke interacties.

Door eenvoudigweg de UV-schakelaar van de trans-grondtoestand naar de cis-toestand te “omdraaien”, kon het team de selectiviteit voor beide bacterietypen controleren. Ze demonstreerden de werkzaamheid van hun nanomateriaal door met succes MRSA-geïnfecteerde wonden te genezen in muismodellen. Bij behandeling met het cis-reagens sloten de wonden na 10 dagen volledig, sneller dan de gebruikelijke antibioticabehandeling met vancomycine.