Robot ruimt slijm op

Als je voor het tandenpoetsen in de spiegel kijkt, zie je misschien wel tandplak tussen je tanden zitten. Tandplak is biofilm: een verzameling bacteriën die een beschermende slijmlaag om zich heen hebben gebouwd. Biofilm vormt zich ook op andere plekken. Zoals implantaten en katheters, waar het infecties veroorzaakt, in keukens en voedselfabrieken besmet het voedsel en waterleidingen en pijpen raken erdoor verstopt. Biofilm groeit ook op slijmvliezen in het lichaam. Zo’n infectie is lastig te behandelen.

In een biofilm werken bacteriën samen om zichzelf en elkaar te beschermen tegen schoonmaakmiddelen en antibiotica. De slijmlaag die ze om zich heen bouwen, de zogeheten extracellulaire matrix, bevat molecuulketens (koolhydraten) die de bacteriën extra houvast geeft. Zo spoelen ze niet weg en hechten ze stevig aan elkaar en aan het geïnfecteerde oppervlak. Bovendien bereiken antibacteriële middelen de bacteriën in de slijmlaag niet goed. De laag zit ook nog eens vol voedingsstoffen, waardoor een biofilm die niet helemaal verwijderd is snel weer terug kan groeien.

Driestappenplan

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania bedachten een driestappenplan om van de biofilm af te komen. Daarbij breken ze eerst de extracellulaire matrix af, dan doden ze de bacteriën en als laatste vegen ze de resten weg, zodat er geen voedingsmiddelen overblijven voor nieuwe bacteriën. De onderzoekers ontwierpen nanorobots om deze taken uit te voeren. Na grondige tests in modelopstellingen en in een tand presenteerden zij de CARs, catalytic antimicrobial robots in het wetenschappelijke vakbladblad Science Robotics.

De CARs bestaan uit nanodeeltjes van ijzeroxide die waterstofperoxide omzetten naar vrije radicalen. Deze moleculen zijn erg reactief, en daardoor dodelijk voor de bacteriën. Samen met toegevoegde enzymen breken ze de koolhydraten in de extracellulaire matrix af. De nanodeeltjes zijn ook magnetisch, waardoor ze op afstand bestuurbaar zijn. Met behulp van een magnetisch veld, gemaakt door magneten van buitenaf, kunnen ze biofilmresten op hele specifieke locaties wegvegen.

Een van de voor de hand liggende toepassingen voor de nieuwe robotjes is het verwijderen van tandplak. Want zelfs bij gebogen ruimtes, zoals een kies, kan zo’n robot het slijmerige goedje wegpoetsen. Het gaat dan om de istmus, een gangetje in de tand van enkele honderden micrometers groot waar vaak biofilm vormt. De bacteriën hierin produceren zuur dat het tandglazuur afbreekt, met gaatjes als gevolg. De CARs van de onderzoekers zijn klein genoeg om de biofilm uit de nauwe istmus te borstelen.

Veiligheid

Op het Universitair Medisch Centrum in Groningen werkt hoogleraar Henny van der Mei aan een soortgelijk idee voor het verwijderen van biofilms. Zij doet onderzoek naar biofilms en infecties bij biomaterialen, zoals implantaten. Het Amerikaanse onderzoek trok dan ook haar aandacht.

“Het gebruik van magnetische nanodeeltjes om een biofilm te verwijderen is een interessant idee. Het zou fantastisch zijn om nanorobots te gebruiken om biofilms op moeilijke plaatsen te verwijderen,” zegt Van der Mei. “Het moet alleen nog wel verbeterd worden: je kunt niet overal ongelimiteerd waterstofperoxide in het lichaam gebruiken, want het is giftig voor je eigen cellen.” Hoewel de onderzoekers grote plannen hebben voor de toepassingen van de CARs, geven zij zelf ook aan dat de nanorobot zich nog in de ontwerpfase bevindt. Het gebruik van de magnetische nanodeeltjes is volgens Van der Mei geen probleem. “Magnetische nanodeeltjes zijn op zich veilig, en worden al gebruikt in MRI.”

Als de techniek verder ontwikkeld is, zou het dan overal in het lichaam het slijmerig goedje kunnen verwijderen? “Op zacht weefsel zal het niet werken, omdat er altijd bacteriën in het weefsel zitten,” legt Van der Mei uit. De CARs kunnen er daar niet bij. “Op implantaten kan het wel werken. Het eerder genoemde voorbeeld van het wortelkanaal is fantastisch, want dat is moeilijk schoon te maken. Maar het moet natuurlijk wel concurreren met de tijd die een tandarts nodig heeft om het kanaal handmatig schoon te maken.”