Bakteriedödande material återställer antibiotikas effekt mot resistenta bakterier

Materialet har utvecklats för medicinska tillämpningar och har studerats av forskarna under många år. Det har visat en mycket god förmåga att kunna döda många olika typer av bakterier – inklusive antibiotikaresistenta. Materialet består av en specialdesignad hydrogel som innehåller peptider, en sorts molekyler som är byggstenar för proteiner.

Peptiderna har en egen antibakteriell effekt, men för att de ska kunna användas kliniskt, till exempel i kombination med standardbehandlingar som antibiotika, behövde forskarna säkerställa att peptidmaterialet inte påverkar antibiotikans effektivitet negativt vid samtidig användning.

Studien gav överraskande positiva resultat: antibiotikan blev i stället mer verkningsfull tillsammans med materialet. Forskarna upptäckte dessutom en synergieffekt mot vissa resistenta bakterier, där peptidmaterialets och antibiotikans bakteriedödande effekter inte bara adderades, utan förstärktes kraftigt när de användes tillsammans. Detta har inte visats tidigare.

– När partiklar av hydrogelen kom i nära kontakt med bakterierna försvagades de och blev mer mottagliga för antibiotikabehandlingen. I vissa fall återfick antibiotikan sin effekt mot bakterier som tidigare varit resistenta, säger Annija Stepulane, doktorand i tillämpad kemi på Chalmers och förstaförfattare till den vetenskapliga artikeln.

Resistenta bakterier fick tillbaka känslighet

Peptidmaterialet undersöktes genom bakterieodlingar ihop med två olika antibiotika, oxacillin och vancomycin. Bakterierna som ingick i försöken var två typer av stafylokocker (S. aureus), varav den ena var en multiresistent variant (MRSA).

Den mest kraftfulla effekten i studien uppmättes med MRSA, särskilt när materialet kombinerades med oxacillin – ett antibiotikum som bakterierna normalt är resistenta mot. Kombinationen sänkte den effektiva koncentrationen av oxacillin 64-falt jämfört med när antibiotikumet användes ensamt. Detta innebär att den verkningsfulla koncentrationen av oxacillin sjönk till en nivå som är så låg att bakterierna inte längre är resistenta mot läkemedlet.

Även för vancomycin sänktes den verkningsfulla koncentrationen när läkemedlet kombinerades med hydrogelen, men där handlade det om att de två bakteriedödande effekterna adderades med varandra – alltså inte om en synergieffekt.

Stabil och aktiv behandling över tid

Forskare har försökt använda antimikrobiella peptider tillsammans med antibiotika tidigare, men hittills bara i form av en lösning. I denna form blir peptiderna mycket känsliga och slutar fungera när de kommer i kontakt med kroppsvätskor, som till exempel blod. När peptiderna däremot binds till en hydrogel blir de betydligt mer stabila och kan vara aktiva längre.

Med hydrogelen har Chalmersforskarna kunnat uppmäta bakteriedödande aktivitet under flera dygn, jämfört med några timmar i lösning. De ser många fördelar med materialet.

– Det nya peptidbaserade materialet kan appliceras lokalt, alltså på en begränsad del av kroppen så att inte hela kroppen påverkas. Materialet är giftfritt och ger inga oönskade biverkningar, säger Martin Andersson, forskningsledare och professor i tillämpad kemi på Chalmers.

Kan stävja infektioner och minska risken för komplikationer

Hydrogelen, som också kan formuleras som partiklar i en spray, har potential att höja både säkerheten och effekten när patienter får en antibiotikakur. Ett exempel på hur upptäckten skulle kunna användas i praktiken är vid behandling av sår.

– Ofta vet man inte om bakterien som orsakat en sårinfektion är resistent mot ett visst antibiotikum när man inleder en behandling. Om peptidmaterialet används på såret samtidigt så ökar sannolikheten för att antibiotikasorten ska fungera mot bakterien. Då har man möjlighet att bota infektionen utan att behöva sätta in ytterligare typer av antibiotika, säger Martin Andersson.

Eftersom peptidmaterialet enbart har en positiv inverkan på läkningsprocessen ser forskarna också stora möjligheter med att använda det som standardbehandling för att förebygga sårinfektioner.

– Materialet skulle kunna användas på det sättet både inom sjukvården, till exempel efter operationer – en möjlighet som redan finns för veterinärvård i vissa länder – och i hemmiljö. Det skulle kunna fungera som ett vanligt plåster, särskilt om man är orolig för infektioner. Detta kan vara särskilt intressant i områden med hög förekomst av resistenta infektioner, såsom vissa delar av Afrika och Asien, där man bör vara extra försiktig vid sårskador, säger Martin Andersson.

Mer om: Forskningsresultaten och peptidmaterialet
Antimikrobiella peptider finns naturligt i våra kroppar och deras goda bakteriedödande egenskaper har varit kända sedan lång tid tillbaka. Bakteriecellerna dör eftersom peptiderna skadar deras cellmembran, bland annat genom en växelverkan mellan positiva laddningar hos peptiderna och negativa laddningar i bakteriernas membran.

Synergieffekter mellan peptider och antibiotika har visats tidigare, men då har det handlat om fria peptider i lösning – något som är svårt att få att fungera för klinisk användning eftersom fria peptider bryts ner snabbt. Den aktuella studien är den första som har visat effekt även när peptiderna är bundna till ett material, vilket gör dem tillräckligt stabila för klinisk användning.

Chalmersforskarna har tidigare visat att materialet i sig dödar 99,99 procent av bakterierna på skadefri hud och behåller sin bakteriedödande förmåga i över två dygn. Detta gör det möjligt att använda materialet i många olika produkter, som till exempel sårvårdsmaterial och ytbeläggningar på medicinsktekniska produkter som förs in i kroppen. Vad som orsakar synergieffekten med antibiotika har forskarna teorier om, men det återstår att undersöka vilka molekylära mekanismer det är som åstadkommer effekten.

Artikel: Antibacterial efficacy of antimicrobial peptide-functionalized hydrogel particles combined with vancomycin and oxacillin antibiotics har publicerats i den vetenskapliga tidskriften International Journal of Pharmaceutics. Studien har gjorts av Annija Stepulane (Chalmers), Anand Kumar Rajasekharan (Amferia) och Martin Andersson (Chalmers och Amferia).

Annija Stepulane disputerar på Chalmers den 12 december, med avhandlingen Soft Amphiphilic Biomaterials for Antibacterial Applications.

Bild: Creative Commons Attribution License (CC BY): https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Den har publicerats i International Journal of Pharmaceutics, Volume 664, Annija Stepulane, Anand Kumar Rajasekharan, Martin Andersson, Antibacterial efficacy of antimicrobial peptide-functionalized hydrogel particles combined with vancomycin and oxacillin antibiotics, Copyright Elsevier, 2024.  Illustration: Annija Stepulane/International Journal of Pharmaceutics.

Källa: Chalmers tekniska högskola.