Als heupen, knieën en hartkleppen versleten zijn, dan kunnen we vervangende exemplaren implanteren. Maar infecties liggen op de loer en daardoor kan de operatie mislukken. Daar is iets aan te doen met anti-bacteriële coatings. Lia Asri promoveerde vorige maand aan de Rijksuniversiteit Groningen op de ontwikkeling van een nieuw en bijzonder type coating. Die doodt bacteriën niet door afgifte van gifstoffen, maar met elektrostatische interactie.
Staphylococcus epidermidis
Wikimedia Commons/Janice Carr via publieke domeinEen bacterie die met de nieuwe coating in aanraking komt is behoorlijk de klos. Onder invloed van het elektrostatisch krachtenveld raakt hij volledig vervormd en worden belangrijke moleculen uit zijn membraan gezogen. De bacterie kan niet meer functioneren en even later legt hij het loodje. Aanval afgeslagen, implantaat gered, operatie geslaagd!
Het bijzondere van de nieuwe coating is dat zijn sterk antibacteriële werking uitsluitend te danken is aan de oppervlakte-eigenschappen. Dat is een groot verschil met implantaatcoatings die langzaam biociden of antibiotica afgeven. Daarbij komen immers giftige stoffen in het lichaam terecht. Bovendien stopt de antibacteriële werking van zulke coatings als de ‘voorraad’ van het bacteriedodende middel is uitgeput. Bij de nieuwe Groningse coating is dat anders, die blijft in principe altijd actief.
Mondspoelmiddel
Lia Asri ontwikkelde de nieuwe coating bij de afdeling Polymeerchemie van het Groningse Zernike Institute for Advanced Materials, tijdens haar promotieonderzoek onder leiding van hoogleraar Ton Loontjens. Ze vond een manier om de implantaten te voorzien van ‘quaternaire ammoniumverbindingen’, kortweg ‘quats’. Dat zijn moleculen met een positief geladen stikstofatoom.
Implantaatinfecties worden doorgaans veroorzaakt door de bacterie Staphylococcus epidermidis of Staphylococcus aureus. Deze micro-organismen hechten aan het implantaatoppervlak, koloniseren het en vormen een uiterst lastig te bestrijden biofilm. Daarin beschermen ze zichzelf met een slijmlaag (een zelfgeproduceerd netwerk van biopolymeren) tegen het menselijke immuunsysteem en tegen antibiotica. Het is daarom belangrijk de bacterie direct bij de eerste ‘aanval’ op het implantaat af te slaan en hechting te voorkomen.
De antimicrobiële werking van quats is al decennia bekend. Je vindt ze bijvoorbeeld in desinfectiemiddelen. Chloorhexidine, onder andere gebruikt in mondspoelmiddelen, is zo’n bacteriedoder. Dergelijke quats beschikken naast het positieve stikstofatoom ook over een lipofiele (vetachtige) moleculaire staart. Daarmee dringen ze het bacteriële celmembraan binnen. Met behulp van hun positief geladen stikstofatoom prikken ze vervolgens de bacterie lek.
Het is een dermate verwoestend mechanisme dat bacteriën er nog geen effectief antwoord op hebben gevonden. Ook na vele tientallen jaren gebruik als desinfectiemiddel is er zo goed als geen resistentie tegen quats.
Hypervertakt
Het idee om quats in te zetten bij de bescherming van implantaten tegen infecties is niet nieuw. De manier waarop Lia Asri het in de praktijk bracht wel. Ze wist quats stevig in de beschermende coating te verankeren, zodat ze geen ongewenste neveneffecten zouden vertonen. Want het is uiteraard de bedoeling dat alleen de bacteriecellen het loodje leggen. En niet (wat uit ander onderzoek wel eens was gebleken) bloedcellen, bijvoorbeeld.
De methode-Asri gaat van start met een ureapolymeer dat eerder in de groep van Loontjens werd ontwikkeld. Dat is een voor implantaten zeer geschikte rubberachtige coating die in staat is ook ingewikkelde vormen goed te bedekken. Door een ‘hypervertakte’ variant te gebruiken bracht Asri op moleculair niveau flink wat ‘losse eindjes’ aan. Daar kon ze vervolgens polyethyleenimines (PEIs) aan vastknopen. Deze PEIs werden vervolgens omgezet in quats, die als een soort afwerende borstelharen het oppervlak beschermen bacteriële indringers.
RUG | ZIAMDe methode-Asri gaat van start met een ureapolymeer dat eerder in de groep van Loontjens werd ontwikkeld. Dat is een voor implantaten zeer geschikte rubberachtige coating die in staat is ook ingewikkelde vormen goed te bedekken. Door een ‘hypervertakte’ variant te gebruiken bracht Asri op moleculair niveau flink wat ‘losse eindjes’ aan. Daar kon ze polyethyleenimines (PEIs) aan vastknopen, die ze daarna omzette tot quats. Het resultaat is een oppervlak bedekt met een soort moleculaire borstelharen die het oppervlak beschermen tegen bacteriële indringers.
Bacterie gekraakt
Het slimme moleculaire ontwerp was een doorslaand succes. In realistische laboratoriumproeven bleek de nieuwe coating meer dan 99,99% van de bedreigende Staphylococcus epidermidis bacteriën om zeep te helpen.
Dát het werkte was dus duidelijk. Maar hoe? Dat was nog een raadsel. De vastgehaakte quats zijn immers – anders dan hun ‘losse’ neefjes en nichtjes in een mondspoelmiddel – niet in staat een bacterieel membraan te doorboren.
Lia Asri nam daarom samen met collega-onderzoekers van het Universitair Medisch Centrum Groningen (UMCG) nauwkeurig het oppervlak van de coating onder de loep. Ze stelden vast dat er sprake is van bijzonder sterke elektrostatische krachten tussen de harige quat-moleculen en de bacteriële indringers. Al te vrijpostige bacteriën komen daarbij in een dodelijke houdgreep en worden als het ware ‘gekraakt’.
Ze raken enorm vervormd, hun membraan valt uit elkaar en dan is het gebeurd: de bacterie sterft.