211service.com
Biofilms vernietigen met virussen
Wanneer bacteriën samenwerken in kleverige, medicijnresistente gemeenschappen die biofilms worden genoemd, kunnen ze bijna onmogelijk uit te roeien zijn met conventionele antibiotica. Vaak gevonden op medische apparaten zoals katheters, kunnen biofilms gingivitis en chronische oorinfecties veroorzaken. Ze kunnen ook milieu- en industriële problemen veroorzaken, waardoor waterleidingen verstopt raken.
Biofilms opblazen: Speciaal ontworpen virussen (hierboven weergegeven als zeshoeken) breken bacteriële gemeenschappen af, biofilms genaamd, die afvoeren kunnen verstoppen en chronische infecties kunnen veroorzaken. De virussen produceren enzymen (weergegeven in rood) die de koolhydraten oplossen die de bacteriën aan elkaar binden. De virussen infecteren ook de bacteriecellen (weergegeven als ovalen), waardoor ze barsten en afsterven.
Biomedische ingenieurs van de Universiteit van Boston hebben een nieuwe, zeer effectieve manier ontworpen om de bacteriën die in biofilms leven te verspreiden en te doden. Onder leiding van synthetisch bioloog James Collins , heeft het team virussen ontwikkeld die biofilms op twee fronten aanvallen: door de bacteriën die erin leven te doden en door de koolhydraten op te lossen die ze bij elkaar houden. Als dergelijke bacteriën-aanvallende virussen veilig blijken te zijn voor industrieel en klinisch gebruik, zegt Collins, zouden onderzoekers voorraden van verschillende soorten virussen kunnen ontwikkelen, elk op maat gemaakt om een ander soort biofilm aan te vallen.
Collins heeft een virus ontworpen dat meer dan 99 procent van de E coli in een modelbiofilm. Helen Blackwell , een chemicus aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, vindt dit een enorme prestatie: ik heb nog nooit zoiets effectiefs gezien als deze aanpak. Het gemanipuleerde virus van Collins wordt beschreven online in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences .
Bacteriën die samen in biofilms leven, zijn duizend keer resistenter tegen antibiotica dan vrijzwemmende bacteriën, zegt Collins. Ze worden beschermd door een kleverige koolhydratenstructuur die een matrix wordt genoemd. De matrix blokkeert antibiotica en cellen van het menselijke immuunsysteem en zorgt zelfs voor zoiets als een primitieve bloedsomloop voor de bacteriën.
In enkele gevallen, waaronder enkele chronische oorinfecties bij kinderen en chronische longinfecties bij patiënten met cystische fibrose, moet het weefsel dat een biofilm herbergt gewoon worden weggesneden. (Zie Biofilms die de schuld krijgen van chronische oorinfecties.) Grote doses antibiotica kunnen deze infecties meestal uitroeien, zegt Blackwell. Maar ze merkt op dat er enige zorg is dat resistente biofilminfecties steeds vaker voorkomen en dat het gebruik van antibiotica biofilmvorming lijkt te veroorzaken.
Een ding dat ik leuk vind aan de benadering van [Collins] is dat het tweeledig is, zegt: Philip Stewart , directeur van de Centrum voor Biofilm Engineering aan de Montana State University. De [virussen] doden de bacteriën, maar ze richten zich ook op de biofilmmatrix.
De benadering van Collins is om een virus te selecteren dat zich al richt op de bacteriën van belang, zoals: E coli of Stafylokokken . Vervolgens introduceert hij in het virus een gen voor een enzym dat de belangrijkste koolhydraatcomponent van de biofilmmatrix die de bacteriën beschermt, oplost. Er zijn virussen die gespecialiseerd zijn om elke bacteriesoort te infecteren. Deze virussen repliceren in bacteriële cellen, barsten ze open, doden de bacteriën en verspreiden zich naar andere bacteriële cellen. Maar ze zijn niet schadelijk voor dierlijke cellen of bacteriën anders dan het soort waarop ze zijn gericht.
Natuurlijk voorkomende virussen kunnen biofilms aanvallen. Maar Collins toonde aan dat het geven van een gen voor het oplossen van de matrix aan een virus de effectiviteit van het virus met 4,5 ordes van grootte verhoogde.
Het proof-of-concept-virus van Collins is afgestemd op een bepaald type E coli biofilm. Er zijn veel soorten en stammen van bacteriën, zegt hij, en een enkele biofilm kan meerdere bacteriesoorten en stammen ondersteunen. In mindere mate is er ook enige diversiteit in de componenten van de biofilmmatrix. Collins zegt echter dat het vanwege de toenemende snelheid en de dalende prijs van DNA-sequencing- en synthesetechnologieën niet moeilijk zou zijn om een virus te ontwikkelen dat is afgestemd op elk soort biofilm.
De virale techniek van Collins lijkt enkele van de problemen met chemische technieken te overwinnen. Blackwell, die kleine moleculen ontwerpt om de bacteriële signaalroutes die biofilms in stand houden te verstoren, zegt dat de levering van biofilmverstorende chemicaliën zoals enzymen een grote hindernis is geweest. (Zie het TR35 Young Innovator-profiel van Blackwell.)
Virussen zoals ontwikkeld door Collins worden al tientallen jaren gebruikt om infecties te behandelen in Oost-Europa en Rusland. Maar geen enkele is tot nu toe goedgekeurd voor klinisch gebruik in de Verenigde Staten. De FDA heeft echter één viruscocktail goedgekeurd voor gebruik als voedseladditief.
De risico's van dergelijke virussen zijn onduidelijk, maar er is enige bezorgdheid dat ze een gevaarlijke immuunrespons kunnen veroorzaken. Een van de redenen waarom ze misschien niet op grote schaal zijn onderzocht op hun potentieel om infecties te behandelen, zegt Collins, is dat antibiotica tot nu toe voldoende waren. Maar met de opkomst van multiresistente bacteriestammen in ziekenhuizen, kijken een aantal bedrijven naar virussen, zegt hij.
De virussen worden waarschijnlijk goedgekeurd voor industrieel gebruik, waarvoor de regelgeving niet zo streng is, voordat ze naar de kliniek worden gebracht. Voor industriële toepassingen waarbij je ze niet in iemands lichaam stopt, kunnen deze virussen een enorme impact hebben op de beheersing van biofilm op plaatsen zoals waterleidingen en afvoeren, zegt Blackwell.