211service.com
Sprængning af biofilm med vira
Når bakterier slår sig sammen i klæbrige, lægemiddelresistente samfund kaldet biofilm, kan de være næsten umulige at udrydde ved hjælp af konventionelle antibiotika. Biofilm, der almindeligvis findes på medicinsk udstyr såsom katetre, kan forårsage tandkødsbetændelse og kroniske øreinfektioner. De kan også forårsage miljømæssige og industrielle problemer, tilstoppe vandrør.
Sprængning af biofilm: Specielt konstruerede vira (vist ovenfor som sekskanter) bryder bakteriesamfund kaldet biofilm, som kan tilstoppe afløb og forårsage kroniske infektioner. Viraene producerer enzymer (vist med rødt), som opløser de kulhydrater, der binder bakterierne sammen. Vira inficerer også bakteriecellerne (vist som ovaler), hvilket får dem til at briste og dø.
Boston Universitys biomedicinske ingeniører har designet et nyt, yderst effektivt middel til at sprede og dræbe de bakterier, der lever i biofilm. Ledet af syntetisk biolog James Collins , holdet har konstrueret vira, der angriber biofilm på to fronter: ved at dræbe de bakterier, der lever i dem, og ved at opløse de kulhydrater, der holder dem sammen. Hvis sådanne bakterieangribende vira viser sig at være sikre til industriel og klinisk brug, siger Collins, kunne forskere udvikle lagre af forskellige slags vira, hver skræddersyet til at angribe en anden slags biofilm.
Collins har designet en virus, der kan sprede mere end 99 procent af E coli i en model biofilm. Helen Blackwell , en kemiker ved University of Wisconsin-Madison, mener, at dette er en enorm præstation: Jeg har ikke set noget så effektivt som denne tilgang. Collins's konstruerede virus er beskrevet online i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences .
Bakterier, der lever i fællesskab i biofilm, er tusind gange mere modstandsdygtige over for antibiotika, end fritsvømmende bakterier er, siger Collins. De er beskyttet af et klæbrigt kulhydratstillads kaldet en matrix. Matrixen blokerer antibiotika og celler fra det menneskelige immunsystem og giver endda noget som et primitivt kredsløbssystem for bakterierne.
I nogle få tilfælde, herunder nogle kroniske øreinfektioner hos børn og kroniske lungeinfektioner hos patienter med cystisk fibrose, skal vævet med en biofilm blot skæres ud. (Se Biofilm, der er skyld i kroniske øreinfektioner.) Store doser antibiotika kan normalt udrydde disse infektioner, siger Blackwell. Men hun bemærker, at der er en vis bekymring for, at lægemiddelresistente biofilminfektioner bliver mere almindelige, og at brugen af antibiotika ser ud til at inducere biofilmdannelse.
En ting, jeg godt kan lide ved [Collins] tilgang er, at den er tostrenget, siger Philip Stewart , direktør for Center for Biofilmteknik ved Montana State University. [Virusene] dræber bakterierne, men de er også målrettet mod biofilmmatrixen.
Collins tilgang er at udvælge en virus, der allerede er rettet mod bakterierne af interesse, som f.eks E coli eller Staphylococcus . Derefter introducerer han et gen i virussen for et enzym, der opløser hovedkulhydratkomponenten i biofilmmatrixen, der beskytter bakterierne. Der er vira specialiseret til at inficere alle bakteriearter. Disse vira replikerer inde i bakterieceller, sprænger dem derefter åbne, dræber bakterierne og spredes til andre bakterieceller. Men de skader ikke dyreceller eller andre bakterier end den slags, de er målrettet mod.
Naturligt forekommende vira kan angribe biofilm. Men Collins viste, at det at give en virus et gen til at opløse matrixen øgede virussens effektivitet med 4,5 størrelsesordener.
Collins's proof-of-concept-virus er skræddersyet til en bestemt type E coli biofilm. Der er mange arter og stammer af bakterier derude, siger han, og en enkelt biofilm kan understøtte flere bakteriearter og -stammer. I mindre grad er der også en vis diversitet i komponenterne i biofilmmatrixen. Collins siger dog, at på grund af den stigende hastighed og faldende pris på DNA-sekventerings- og synteseteknologier, ville det ikke være svært at udvikle en virus, der er skræddersyet til hver type biofilm.
Collins' virale teknik ser ud til at overvinde nogle af problemerne med kemiske teknikker. Blackwell, som designer små molekyler til at forstyrre de bakterielle signalveje, der opretholder biofilm, siger, at levering af biofilm-forstyrrende kemikalier såsom enzymer har været en stor hindring. (Se Blackwells TR35 Young Innovator-profil.)
Vira som dem udviklet af Collins er blevet brugt i årtier til at behandle infektioner i Østeuropa og Rusland. Men ingen er blevet godkendt til klinisk brug i USA endnu. FDA har dog godkendt en viruscocktail til brug som fødevaretilsætningsstof.
Risikoen ved sådanne vira er uklare, men der er en vis bekymring for, at de kan fremkalde et farligt immunrespons. En grund til, at de måske ikke er blevet undersøgt bredt for deres potentiale til at behandle infektion, siger Collins, er, at antibiotika har været tilstrækkeligt indtil videre. Men med fremkomsten af multiresistente bakteriestammer på hospitaler, ser en række virksomheder på vira, siger han.
Virusserne vil sandsynligvis blive godkendt til industriel brug, for hvilke reglerne ikke er så strenge, før de bringes til klinikken. Til industrielle applikationer, hvor du ikke putter dem i nogens krop, kan disse vira have en enorm indflydelse på biofilmkontrol på steder som vandrør og afløb, siger Blackwell.