Selektivno mehansko odstranjevanje bakterijskih biofilmov s konjugiranimi magnetnimi nanodelci

Biofilmi so mikrobne združbe, zaščitene s samo-proizvedeno plastjo zunajcelične polimerne snovi, ki se tvorijo na površinah. Biofilmi ščitijo bakterije pred gostiteljskim imunskim sistemom in jim omogočajo obstoj v neugodnih okoljskih pogojih. So pomemben klinični in javnozdravstveni problem, saj je z njimi povezanih kar 80% vseh človeških bakterijskih okužb. Okužbe z biofilmi, povezane z zdravstveno oskrbo, vsako leto prizadenejo 3,8 milijona ljudi v EU in po ocenah povzročijo 90.000 smrti. Poleg tega biofilmi olajšajo prenos genov in širjenje protimikrobne odpornosti in so do 1000-krat bolj odporni na antibiotike kot planktonska oblika bakterij. V visokih odmerkih so antibiotiki za človeka toksični; poleg tega niso specifični samo za patogene in vplivajo tudi na koristne komenzalne bakterije. Pomanjkanje učinkovitih in specifičnih protimikrobnih sredstev za odstranjevanje biofilmov patogenih bakterij ustvarja potrebo po novih učinkovitih in specifičnih pristopih za boj proti biofilmom. Za reševanje tega problema predlagamo konjugacijo proteinskih in glikanskih vezalcev, specifičnih za bakterije v biofilmih, z nedavno razvitimi anizotropnimi magnetnimi nanodelci. Ti nanodelci (imenovani ""nanokose"") se bodo specifično vezali na izbrani biofilm in bodo omogočili njegovo mehansko odstranitev po izpostavljenosti zunanjemu vrtečemu magnetnemu polju. Domnevamo, da bo to zmanjšalo koncentracijo antibiotika, potrebnega za popolno eliminacijo biofilma. V tem predlogu bomo potrdili princip delovanja na bakterijah z velikim pomenom v patologiji, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus in Listeria monocytogenes. Glavni cilj predlaganega projekta je razviti novo strategijo za selektivno mehansko odstranjevanje biofilmov s povezovanjem proteinskih ali glikanskih vezalcev biofilmov z anizotropnimi magnetnimi nanodelci. To bomo dosegli z interdisciplinarnim sodelovanjem raziskovalnih skupin z Instituta Jožef Stefan (IJS), Fakultete za farmacijo (FFA) in Biotehniške fakultete (BF). Skupina prof. Aleša Berleca (Odsek za biotehnologijo, IJS) bo z biotehnološkim pristopom izbrala in proizvedla različne vrste proteinskih vezalcev specifičnih za biofilmske bakterije, kot so lektini in alternativni vezalci, in ovrednotila varnost nanodelcev s pristopi celične biologije. Skupina prof. Marka Anderluha (FFA) bo uporabila pristop farmacevtske kemije v komplementarnih prizadevanjih za razvoj glikanskih vezalcev bakterij, s posebnim poudarkom na antagonistih FimH in LecA s funkcionalno skupino, ki bo omogočila pritrditev na magnetne nanodelce. Obe vrsti bakterijskih vezalcev bosta uporabljeni za funkcionalizacijo magnetnih nanodelcev, ki jih bo skupina prof. Slavka Kralja (Odsek za sintezo materialov, IJS) pripravila s tvorbo nanoverig z ostrimi robovi ali brez. Nanodelci bodo prevlečeni s tanko plastjo silike, kar bo omogočilo konjugacijo z bakterijskimi vezalci. Pripravljene nanodelce bosta s pomočjo pristopov mikrobiologije ovrednotili skupini dr. Jerice Sabotič (Odsek za biotehnologijo, IJS) in prof. Anje Klančnik (BF) glede na njihovo sposobnost vezave in odstranjevanja biofilmov. Selektivnost in učinkovitost nanodelcev pri odstranjevanju biofilma bomo ocenili z uporabo barvanja s kristal-vijoličnim, določanjem CFU, bioluminiscenčnega testa in fluorescenčne mikroskopije, varnost in učinkovitost nanodelcev pa na modelih epitelijskih celic Caco-2 in HT-29. Interdisciplinarni projektni konzorcij bo koordiniral prof. Aleš Berlec, v njem pa bodo sodelovali izkušeni raziskovalci ter doktorski in magistrski študenti. Projekt je podprt s predhodnimi rezultati razvoja vezalcev, sinteze nanodelcev in biofilmskih testov ter predhodnim sodelovanjem projektnih partnerjev. Predlog ima realističen časovni okvir, analizo tveganja in strategijo upravljanja z intelektualno lastnino, ter si za cilj postavlja visokokakovostne publikacije z uvedbo novega prelomnega pristopa za boj proti biofilmom.