Wysadzanie biofilmów wirusami

Kiedy bakterie łączą się w lepkie, lekooporne społeczności zwane biofilmami, ich zwalczenie za pomocą konwencjonalnych antybiotyków może być prawie niemożliwe. Powszechnie spotykane na wyrobach medycznych, takich jak cewniki, biofilmy mogą powodować zapalenie dziąseł i przewlekłe infekcje ucha. Mogą również powodować problemy środowiskowe i przemysłowe, zatykając rury wodociągowe.

Śrutowanie biofilmów: Specjalnie zaprojektowane wirusy (pokazane powyżej jako sześciokąty) rozbijają zbiorowiska bakterii zwane biofilmami, które mogą zatykać odpływy i powodować przewlekłe infekcje. Wirusy wytwarzają enzymy (zaznaczone na czerwono), które rozpuszczają węglowodany wiążące bakterie. Wirusy infekują również komórki bakteryjne (pokazane jako owal), powodując ich pękanie i śmierć.

Inżynierowie biomedyczni z Boston University opracowali nowy, wysoce skuteczny sposób rozpraszania i zabijania bakterii żyjących w biofilmach. Prowadzony przez biologa syntetycznego Jamesa Collinsa , zespół opracował wirusy, które atakują biofilmy na dwóch frontach: zabijając żyjące w nich bakterie oraz rozpuszczając węglowodany, które je łączą. Jeśli okaże się, że takie atakujące bakterie wirusy są bezpieczne do użytku przemysłowego i klinicznego, mówi Collins, naukowcy mogliby opracować zapasy różnych rodzajów wirusów, każdy dostosowany do atakowania innego rodzaju biofilmu.

Collins zaprojektował wirusa, który może rozproszyć ponad 99 procent E coli w modelowym biofilmie. Helen Blackwell , chemik z University of Wisconsin-Madison, uważa, że ​​jest to ogromne osiągnięcie: nie widziałem nic tak skutecznego jak to podejście. Opisano zmodyfikowanego wirusa Collinsa online w dzienniku Materiały Narodowej Akademii Nauk .

Bakterie żyjące wspólnie w biofilmach są tysiąc razy bardziej odporne na antybiotyki niż bakterie swobodnie unoszące się, mówi Collins. Są chronione przez lepkie rusztowanie węglowodanowe zwane matrycą. Macierz blokuje antybiotyki i komórki ludzkiego układu odpornościowego, a nawet zapewnia bakteriom coś w rodzaju prymitywnego układu krążenia.

W kilku przypadkach, włączając w to przewlekłe infekcje ucha u dzieci i przewlekłe infekcje płuc u pacjentów z mukowiscydozą, tkankę zawierającą biofilm należy po prostu wyciąć. (Patrz Biofilmy, które można obwiniać za przewlekłe infekcje ucha.) Duże dawki antybiotyków zwykle mogą wyeliminować te infekcje, mówi Blackwell. Zauważa jednak, że istnieją pewne obawy, że oporne na leki infekcje biofilmu stają się coraz częstsze, a stosowanie antybiotyków wydaje się indukować tworzenie się biofilmu.

Jedną z rzeczy, które podoba mi się w podejściu [Collinsa], jest to, że jest ono dwojakie, mówi Filip Stewart , dyrektor Centrum Inżynierii Biofilmów na Uniwersytecie Stanowym w Montanie. [Wirusy] zabijają bakterie, ale atakują również macierz biofilmu.

Podejście Collinsa polega na wybraniu wirusa, który już atakuje bakterie będące przedmiotem zainteresowania, takie jak E coli lub Staphylococcus . Następnie wprowadza do wirusa gen enzymu, który rozpuszcza główny węglowodanowy składnik macierzy biofilmu chroniącego bakterie. Istnieją wirusy wyspecjalizowane w infekowaniu każdego gatunku bakterii. Wirusy te replikują się w komórkach bakteryjnych, a następnie rozrywają je, zabijając bakterie i rozprzestrzeniają się na inne komórki bakteryjne. Ale nie uszkadzają komórek zwierzęcych ani bakterii innych niż te, na które są skierowane.

Naturalnie występujące wirusy mogą atakować biofilmy. Ale Collins wykazał, że przekazanie wirusowi genu do rozpuszczania matrycy zwiększyło skuteczność wirusa o 4,5 rzędów wielkości.

Wirus „proof-of-concept” Collinsa jest dostosowany do konkretnego typu E coli biofilm. Jak mówi, istnieje wiele gatunków i szczepów bakterii, a pojedynczy biofilm może wspierać wiele gatunków i szczepów bakterii. W mniejszym stopniu istnieje również pewna różnorodność składników matrycy biofilmu. Collins twierdzi jednak, że ze względu na rosnącą szybkość i spadającą cenę technologii sekwencjonowania i syntezy DNA, opracowanie wirusa dopasowanego do każdego rodzaju biofilmu nie byłoby trudne.

Technika wirusowa Collinsa wydaje się przezwyciężać niektóre problemy z technikami chemicznymi. Blackwell, który projektuje małe molekuły do ​​zakłócania bakteryjnych ścieżek sygnałowych, które utrzymują biofilm, twierdzi, że dostarczanie substancji chemicznych zaburzających biofilm, takich jak enzymy, było główną przeszkodą. (Zobacz profil Blackwell TR35 Young Innovator.)

Wirusy takie jak te opracowane przez Collinsa są używane od dziesięcioleci w leczeniu infekcji w Europie Wschodniej i Rosji. Ale żaden nie został jeszcze zatwierdzony do użytku klinicznego w Stanach Zjednoczonych. Jednak FDA zatwierdziła jeden koktajl wirusów do stosowania jako dodatek do żywności.

Ryzyko związane z takimi wirusami jest niejasne, ale istnieje obawa, że ​​mogą wywołać niebezpieczną odpowiedź immunologiczną. Jednym z powodów, dla których nie były one szeroko badane pod kątem ich potencjału w leczeniu infekcji, mówi Collins, jest to, że jak dotąd antybiotyki były wystarczające. Ale wraz z pojawieniem się wielolekoopornych szczepów bakterii w szpitalach, wiele firm szuka wirusów, mówi.

Wirusy prawdopodobnie zostaną dopuszczone do użytku przemysłowego, co do których przepisy nie są tak surowe, zanim trafią do kliniki. W przypadku zastosowań przemysłowych, w których nie umieszcza się ich w czyimś ciele, wirusy te mogą mieć ogromny wpływ na kontrolę biofilmu w miejscach takich jak rury wodociągowe i ścieki, mówi Blackwell.

ukryć