Metoda în doi pași de eliminare și prevenire a bacteriilor. Succes uriaș garantat de oamenii de știință
Majoritatea oamenilor au întâlnit petele negre, gri sau roz acumulate pe gresia din baie sau pe chiuveta din bucătărie. Chiar și cu frecare energică și produse chimice de curățare puternice, această murdărie poate fi dificil de îndepărtat și adesea revine. Oamenii de știință prezintă metoda în doi pași de eliminare și prevenire a bacteriilor strânse în comunități numite biofilme.
Metoda în doi pași de eliminare și prevenire a bacteriilor
Un nou studiu, publicat în Chemical Engineering Journal, prezintă o metodă nouă pentru a elimina în mod eficient biofilmele bacteriene și a preveni regenerarea acestora.
„[…] Biofilmele sunt peste tot, de la băi la fabrici alimentare”, a declarat Hyunjoon Kong (lider M-CELS/EIRH/RBTE), profesor de inginerie chimică și biomoleculară.
„Biofilmele sunt, de asemenea, responsabile pentru contaminarea între pacienți în spitale și pot fi găsite pe instrumente medicale precum implanturile dentare sau osoase.”
Se crede adesea că infecțiile bacteriene sunt cauzate de celule individuale, care plutesc liber; în realitate, bacteriile formează comunități complexe, susținute de o matrice externă 3D care asigură scheletul structural și mecanismele de apărare pentru a proteja colonia.
Comparativ cu celulele bacteriene izolate, biofilmele prezintă o rezistență sporită la antimicrobiene, inclusiv la antibiotice și dezinfectanți chimici precum înălbitorul. Adesea, doar celulele de pe straturile exterioare ale biofilmului sunt ucise de aceste antimicrobiene, în timp ce bacteriile încorporate adânc în matricea 3D sunt protejate și supraviețuiesc.
„Pentru a ucide eficient bacteriile din biofilme, trebuie să ne dăm seama cum să slăbim interacțiunea dintre celule și matrice”, a declarat Kong.
Condusă de primii autori ai publicației, Yu-Heng Deng și Joohun Lee, foști și, respectiv, actuali studenți absolvenți în grupul de cercetare al lui Kong, echipa a început să investigheze acest lucru prin tratarea biofilmelor de Pseudomonas aeruginosa cu dezinfectanți chimici care pot ucide celulele bacteriene. Biofilmele au fost tratate fie fără dezinfectant, fie cu peroxid de hidrogen (H2O2), fie cu un amestec de H2O2 și acid peroxiacetic (PAA). Ei au numărat apoi numărul de bacterii care formează colonii prezente imediat după tratament și 24 de ore mai târziu.
Rezultatele lor au demonstrat că majoritatea celulelor de P. aeruginosa au fost ucise de tratamentele chimice, dar până a doua zi ambele biofilme au renăscut.
„Ne-am gândit că poate aceste substanțe chimice ucid celulele, dar nu deteriorează eficient matricea. Celulele care au reușit să rămână în viață în timpul tratamentului pot folosi matricea pentru a ajuta la regenerarea biofilmului.”, a declarat Kong, conform Eurekalert.
Soluția oamenilor de știință
Folosind un software avansat de procesare a imaginilor microscopice imunostained, grupul lui Kong a construit reprezentări 3D ale biofilmelor pentru a evalua interacțiunile dintre celulele bacteriene și matricea din jurul lor. În special, ei au comparat distribuția spațială a substanțelor polimerice extracelulare (EPS) – componente structurale ale matricei – și au determinat suprafața și masa EPS asociate cu bacteriile reziduale. Analizele lor au arătat că, deși substanțele chimice au eliminat mai mult de 50 % din întregul biofilm, inclusiv celulele și EPS, o mare parte din matrice a rămas în urmă, așa cum se bănuia.
„Pe lângă aceasta, am constatat, de asemenea, că celulele asociază această matrice mai puternic. Aceste substanțe chimice tind să condenseze matricea, ceea ce oferă un mediu mai bun pentru ca celulele să supraviețuiască”, a spus Kong. „Deci, cum putem dezvolta o metodă care să prevină regenerarea biofilmului?”
Cercetătorii au profitat de microbubele antibacteriene auto-locomotive, sau SLAM, dezvoltate anterior de grupul Kong pentru a întrerupe și a deplasa EPS din biofilm. Atunci când sunt activate cu H2O2, particulele SLAM generează bule de oxigen care se extind și se rup în biofilm, ducând la întreruperea mecanică. Ei au emis ipoteza că o abordare combinată care utilizează particule SLAM pentru a slăbi interacțiunile dintre celulă și matrice, urmată de un amestec de H2O2 și PAA, ar putea preveni în mod eficient regenerarea.
„Particulele SLAM elimină mai mult de 95 % din matrice și celule. Cu toate acestea, biofilmul se regrupează deoarece rămân 5 %, cu o parte din matrice rămasă. Astfel, amestecul de H2O2 și PAA poate fi aplicat ca etapă finală pentru a elimina celulele reziduale”, a declarat Kong.
La 24 de ore după tratamentul secvențial, nu a existat nicio regenerare observabilă a P. aeruginosa, iar reapariția biofilmului a fost prevenită în continuare timp de peste două luni. În continuare, Kong dorește să transpună această nouă tehnologie în aplicații reale.
În prezent, grupul său lucrează la adaptarea metodei pentru dezinfectarea implanturilor dentare. De asemenea, ei dezvoltă strategii cu costuri reduse pentru fabricarea particulelor SLAM la scară largă.
Dar, în general, Kong crede că mai este mult de lucru.
„Încă nu avem o înțelegere completă a comportamentelor emergente ale biofilmelor. Dacă vom obține mai multe informații, cum ar fi proprietățile chimice și mecanice ale matricei sau mecanismele de rezistență a biofilmelor la antibiotice, vom putea învăța să combatem mai bine aceste infecții.”
Publicația, „Biofilm comes back: Controlling regrowth by mitigating the cell-matrix interaction” poate fi găsită la https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160947
