Je leest:

Robot ruimt slijm op

Robot ruimt slijm op

Magnetische nanodeeltjes doden bacteriën, breken biofilm af en vegen restjes weg

Auteur: | 30 april 2019

Enzymen, nanodeeltjes, waterstofperoxide en een magneet; dat zijn de ingrediënten van een nieuwe antibacteriële nanorobot. Hij rekent af met zogeheten biofilm: hardnekkige slijmlagen vol bacteriën die zich vormen op een nieuwe hartklep, op de keukentafel of op je tanden.

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.

CARs kunnen biofilm verwijderen van specifieke plekken, en het op andere plekken onaangeroerd laten.

CARs breken de extracellulaire matrix af, doden de Streptococcus mutans bacteriën en vegen de restjes weg.

Borstel

De onderzoekers voegen de nanodeeltjes, waterstofperoxide en de extra enzymen toe aan een schijf met biofilm. De enzymen krijgen een half uur tijd om in te werken. Daarna beweegt een magneet onder de schijf in een cirkel. Hoe verder de magneet komt, hoe meer nanodeeltjes en biofilmresten zich verzamelen rond de bovenkant van de magneet. Met resultaat: het spoor achter de magneet is schoon en er zijn geen bacteriën meer op te bekennen.

Kleinere nanodeeltjes voeren de schoonmaakacties zelfs heel precies uit. Om dat aan te tonen maakten de onderzoekers geometrische vormpjes uit biofilm: een cirkel, een vierkant en een driehoek. In de praktijk is dat handig om biofilm weg te halen zonder omliggende cellen te beschadigen of om een monster te nemen van een infectie op een specifieke plek.

Omdat biofilms steeds terugkerende infecties in het lichaam kunnen veroorzaken is het belangrijk dat alle resten weggehaald worden. Om dat te testen hebben de onderzoekers de door CARs schoongepoetste schijf van nieuwe voedingsstoffen voorzien en de biofilm de tijd gegeven om te herstellen. Maar na 24 uur was er onder de microscoop geen levende bacterie en geen biofilm te zien in het schoongepoetste gebied.

Boorvormige CARs kunnen de piepkleine binnenkant van een tand schoonborstelen, een plek waar vaak biofilm vormt.

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.

CARs maken biofilm los van de gebogen binnenkant van glazen laboratoriumbuisjes. Dit buisje is 450 millimeter lang en 7 millimeter breed.

Veiligheid

Uitgelicht door de redactie

Geesteswetenschappen
Woordjes leren met een robot

Biologie
Darmbacteriën voorkomen griepinfectie in longen

Geneeskunde
Onbeperkt schransen op vakantie, wat doet dat met je?

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.”

Bron:

Hwang, G., Paula, A., Hunter, E., Liu, Y., Babeer, A., Karabucak, B., Stebe, K., Kumar, V., Steager, E. and Koo, H, Catalytic antimicrobial robots for biofilm eradication, Science Robotics (2019), doi:10.1126/scirobotics.aaw2388

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 april 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.