Near-Infrared-Activated Fe/ppy Nanocomposites Trigger Ferroptosis-Like Bacterial Death and Suppress Intestinal Colonization

Bacteriële infecties blijven een van de meest hardnekkige uitdagingen in de moderne geneeskunde, niet alleen omdat bacteriën ons ziek kunnen maken, maar omdat ze leren te overleven tegen de medicijnen die we gebruiken om hen te doden. Decennialang zijn antibiotica het primaire wapen geweest tegen deze indringers, maar hun wijdverbreide gebruik heeft de opkomst van resistente stammen versneld die niet langer reageren op behandeling. Deze crisis wordt verergerd door het vermogen van bacteriën om beschermende lagen te vormen die biofilms worden genoemd, die fungeren als een schild en ze nog moeilijker te elimineren maken. Wetenschappers zoeken nu naar nieuwe manieren om deze infecties te bestrijden die niet afhankelijk zijn van traditionele antibiotica, waarbij ze zoeken naar methoden die deze resistentiemechanismen volledig kunnen omzeilen. Een veelbelovende weg houdt in dat licht wordt gebruikt om materialen te activeren die een specif kind van stress binnen de bacteriën creëren, waardoor hun interne verdediging effectief wordt overweldigd en ze instorten.

In een recente studie onderzochten onderzoekers van het Second Affiliated Hospital van Zhejiang University en andere instellingen een nieuwe strategie waarbij een minuscuul, technisch vervaardigd materiaal wordt gebruikt dat ontworpen is om samen te werken met licht. Ze richtten zich op een nanocomposiet gemaakt van ijzer en een specifiek organisch molecuul, dat zij eerder hadden ontwikkeld. Het team had de hypothese dat als zij dit materiaal zouden bestralen met een specifiek type licht, dit een kettingreactie binnen de bacteriën zou triggeren die leidt tot hun dood. Ze testten dit idee tegen twee zeer verschillende soorten bacteriën: een veelvoorkomende Gram-negatieve stam bekend als E. coli en een Gram-positieve stam bekend als S. aureus. Dit zijn representatieve voorbeelden van de soorten hardnekkige, vaak drugresistente pathogenen die ernstige infecties veroorzaken in ziekenhuizen en gemeenschappen.

De onderzoekers begonnen met het kweken van deze bacteriën in het laboratorium en stelden ze bloot aan verschillende condities om te zien wat er zou gebeuren. Ze hadden vijf groepen bacteriën: sommige ontvingen geen behandeling, sommige werden alleen blootgesteld aan nabij-infrarood licht, sommige werden alleen blootgesteld aan het ijzergebaseerde materiaal, sommige ontvingen zowel het materiaal als het licht, en een laatste groep ontving het materiaal en het licht samen met een chemische stof die ijzer blokkeert. Het licht dat werd gebruikt was een laser met een golflengte van 1064 nanometer, afgeleverd met een vermogen van 2 watt per vierkante centimeter gedurende acht minuten. De resultaten waren opmerkelijk. Wanneer de bacteriën alleen met het materiaal of alleen met het licht werden behandeld, overleefden ze relatief goed en vertoonden ze slechts een bescheiden afname in aantal. Echter, wanneer het materiaal en het licht werden gecombineerd, werden de bacteriën bijna volledig weggevaagd. De onderzoekers telden de overlevende kolonies op agarplaten en vonden dat de gecombineerde behandeling vrijwel geen levende bacteriën achterliet.

Om te begrijpen hoe dit gebeurde, bekeken het team de bacteriën nauwlettend onder krachtige microscopen. Ze zagen dat de bacteriën in de controlegroepen en die behandeld waren met enkelvoudige middelen er glad en intact uitzagen, waarbij hun buitenwanden heel bleven. In contrast hiermee zagen de bacteriën die aan de gecombineerde behandeling werden blootgesteld er echter verbrijzeld uit. Hun oppervlakken waren ruw, beschadigd en gebroken, wat erop wees dat hun beschermende membranen waren vernietigd. De onderzoekers gebruikten ook speciale kleurstoffen die groen oplichten voor levende cellen en rood voor dode of stervende cellen. In de groep met de gecombineerde behandeling werd het beeld gedomineerd door rood licht, wat bevestigde dat de overgrote meerderheid van de bacteriën was gestorven. Deze vernietiging was niet willekeurig; het team ontdekte dat wanneer ze een chemische stof toevoegden om ijzer op te zuigen, de schade aanzienlijk werd verminderd. Dit bewees dat het dodingsmechanisme sterk afhankelijk was van het ijzer binnen de nanocomposiet.

De studie suggereert dat dit licht het ijzer in het materiaal activeert, waardoor het een vloedgolf aan reactieve zuurstofverbindingen genereert. Dit zijn zeer onstabiele moleculen die werken als corrosieve agentia binnen de cel, waarbij ze de interne structuren en lipiden van de bacteriën aanvallen. Dit proces bootst een vorm van celsterfte na die bekend staat als ferroptose, wat normaal gesproken in de context van menselijke cellen wordt besproken, maar hier ook als een krachtig wapen tegen bacteriën verschijnt. De onderzoekers testten ook of deze aanpak de vorming van biofilms kon stoppen, de slijmerige, beschermende gemeenschappen die infecties zo moeilijk te behandelen maken. In de gecombineerde behandelingsgroep slaagden de bacteriën er niet in om deze beschermende structuren op te bouwen, en de bestaande biofilmarchitectuur werd verstoord. De enkelvoudige behandelingen waren echter niet voldoende om de biofilmvorming te stoppen.

Voordat ze de methode veilig verklaren voor gebruik in levende organismen, testten de onderzoekers de effecten op muizen. Ze gaven de muizen het ijzergebaseerde materiaal oraal en pasten vervolgens het licht toe op hun buik. Ze hielden de dieren in de gaten op tekenen van toxiciteit, waarbij ze de bloedchemie controleerden en hun belangrijke organen onderzochten, zoals het hart, de lever en de nieren. De resultchten toonden geen tekenen van schade; de muizen bleven gezond en hun organen zagen er normaal uit onder de microscoop. Dit gaf aan dat de behandeling goed werd verdragen en geen systemische schade veroorzaakte. Wanneer de onderzoekers deze methode gebruikten om muizen te behandelen die in hun darmen waren gekoloniseerd met de bacteriën, verminderde de gecombineerde behandeling het aantal bacteriën in de darm aanzienlijk. Het lichtgeactiveerde materiaal heeft de infectie succesvol opgehelderd zonder de ernstige bijwerkingen die vaak gepaard gaan met sterke antibiotica.

De bevindingen bieden een blik op een potentiële toekomst waarin infecties worden behandeld met een precieze, niet-antibiotische aanpak. Door licht te gebruiken om een eenvoudig ijzergebaseerd materiaal te activeren, hebben de onderzoekers aangetoond dat er een manier is om een specifieke, ijzerafhankelijke dood in bacteriën te triggeren die traditionele resistentiemechanismen omzeilt. De studie laat zien dat deze methode bacteriële cellen kan vernietigen, de vorming van beschermende biofilms kan voorkomen en hen uit de darmen van levende dieren kan verwijderen, terwijl het schijnbaar veilig is voor de gastheer. Hoewel het werk nog in de onderzoeksfase zit, benadrukt het een veelbelovende nieuwe richting voor het aanpakken van de groeiende dreiging van drugresistente bacteriën, waarbij gesuggereerd wordt dat de sleutel tot het verslaan van deze veerkrachtige indringers kan liggen in het benutten van de kracht van licht en ijzer.