211service.com
Sprängning av biofilmer med virus
När bakterier slår sig samman i klibbiga, läkemedelsresistenta samhällen som kallas biofilmer, kan de vara nästan omöjliga att utrota med konventionella antibiotika. Vanligtvis finns på medicinsk utrustning som katetrar, biofilmer kan orsaka gingivit och kroniska öroninfektioner. De kan också orsaka miljö- och industriproblem, täppa till vattenledningar.
Sprängning av biofilmer: Speciellt konstruerade virus (visade ovan som hexagoner) bryter upp bakteriesamhällen som kallas biofilmer, som kan täppa till avlopp och orsaka kroniska infektioner. Virusen producerar enzymer (visas i rött) som löser upp kolhydraterna som binder ihop bakterierna. Virusen infekterar också bakteriecellerna (visas som ovaler), vilket gör att de spricker och dör.
Boston Universitys biomedicinska ingenjörer har designat ett nytt, mycket effektivt sätt att sprida och döda bakterierna som lever i biofilmer. Leds av syntetisk biolog James Collins , teamet har konstruerat virus som angriper biofilmer på två fronter: genom att döda bakterierna som lever i dem och genom att lösa upp kolhydraterna som håller ihop dem. Om sådana bakterieangripande virus visar sig vara säkra för industriell och klinisk användning, säger Collins, kan forskare utveckla lager av olika typer av virus, var och en skräddarsydd för att attackera en annan typ av biofilm.
Collins har designat ett virus som kan sprida mer än 99 procent av viruset E coli i en modellbiofilm. Helen Blackwell , en kemist vid University of Wisconsin-Madison, anser att detta är en enorm prestation: jag har inte sett något så effektivt som detta tillvägagångssätt. Collins konstruerade virus beskrivs uppkopplad i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences .
Bakterier som lever gemensamt i biofilmer är tusen gånger mer resistenta mot antibiotika än vad frisimmande bakterier är, säger Collins. De skyddas av en klibbig kolhydratställning som kallas en matris. Matrisen blockerar antibiotika och celler från det mänskliga immunsystemet, och ger till och med något som liknar ett primitivt cirkulationssystem för bakterierna.
I några få fall, inklusive vissa kroniska öroninfektioner hos barn och kroniska lunginfektioner hos patienter med cystisk fibros, måste vävnaden som har en biofilm helt enkelt skäras ut. (Se Biofilmer att skylla på för kroniska öroninfektioner.) Stora doser antibiotika kan vanligtvis utrota dessa infektioner, säger Blackwell. Men hon konstaterar att det finns en viss oro för att läkemedelsresistenta biofilminfektioner blir vanligare och att användningen av antibiotika verkar inducera biofilmbildning.
En sak jag gillar med [Collins] tillvägagångssätt är att det är tvådelat, säger Philip Stewart , direktör för Centrum för biofilmteknik vid Montana State University. [Virusen] dödar bakterierna, men de riktar sig också mot biofilmmatrisen.
Collins tillvägagångssätt är att välja ett virus som redan riktar sig mot bakterierna av intresse, som t.ex E coli eller Stafylokock . Sedan introducerar han i viruset en gen för ett enzym som löser upp den huvudsakliga kolhydratkomponenten i biofilmmatrisen som skyddar bakterierna. Det finns virus som är specialiserade på att infektera alla bakteriearter. Dessa virus replikerar inuti bakterieceller, öppnar dem sedan, dödar bakterierna och sprider sig till andra bakterieceller. Men de skadar inte andra djurceller eller bakterier än den som de är riktade mot.
Naturligt förekommande virus kan angripa biofilmer. Men Collins visade att ge ett virus en gen för att lösa upp matrisen ökade virusets effektivitet med 4,5 storleksordningar.
Collins proof-of-concept-virus är skräddarsytt för en viss typ av E coli biofilm. Det finns många arter och stammar av bakterier där ute, säger han, och en enda biofilm kan stödja flera bakteriearter och stammar. I mindre grad finns det också en viss mångfald i komponenterna i biofilmmatrisen. Collins säger dock att på grund av den ökande hastigheten och sjunkande priset på DNA-sekvenserings- och syntesteknologier, skulle det inte vara svårt att utveckla ett virus som är skräddarsytt för varje typ av biofilm.
Collins virala teknik verkar övervinna några av problemen med kemiska tekniker. Blackwell, som designar små molekyler för att störa de bakteriella signalvägarna som upprätthåller biofilmer, säger att leverans av biofilmstörande kemikalier som enzymer har varit ett stort hinder. (Se Blackwells TR35 Young Innovator-profil.)
Virus som de som utvecklats av Collins har använts i decennier för att behandla infektioner i Östeuropa och Ryssland. Men ingen har godkänts för klinisk användning i USA ännu. FDA har dock godkänt en viruscocktail för användning som livsmedelstillsats.
Riskerna med sådana virus är oklara, men det finns viss oro för att de kan framkalla ett farligt immunsvar. En anledning till att de kanske inte har studerats allmänt för deras potential att behandla infektioner, säger Collins, är att antibiotika har varit tillräckligt hittills. Men med uppkomsten av multiresistenta bakteriestammar på sjukhus söker ett antal företag till virus, säger han.
Virusen kommer sannolikt att godkännas för industriellt bruk, för vilka reglerna inte är lika stränga, innan de förs till kliniken. För industriella tillämpningar där du inte lägger dem i någons kropp kan dessa virus ha en enorm inverkan på biofilmkontroll på platser som vattenledningar och avlopp, säger Blackwell.