Zakażenia bakteryjne powodowane przez zorganizowane społeczności komórek drobnoustrojów nazywane biofilmami, stanowią narastający, multidyscyplinarny i złożony problem medyczny. Struktury te pokryte są zewnątrzkomórkową, ochronną macierzą, która znacznie utrudnia dotarcie antybiotykom oraz antyseptykom do ukrytych w niej komórek bakteryjnych. Między innymi dlatego biofilmy charakteryzują się nawet 1000-krotnie większą tolerancją na środki przeciwdrobnoustrojowe w porównaniu do komórek tego samego drobnoustroju występujących w tak zwanej formie planktonicznej (pozbawionej ochronnej warstwy macierzy). Pomimo postępów w nauce i technologii, wciąż nie dysponujemy wystarczająco skutecznymi metodami zapobiegania i zwalczania infekcji wywołanych przez drobnoustroje tworzące biofilm.
prof. Karol Fijałkowski, fot. Michał Łepecki
W swoich wcześniejszych badaniach odkryliśmy, że Wirujące Pole Magnetyczne (WPM) o ściśle zdefiniowanych parametrach podnosi aktywność przeciwdrobnoustrojową antybiotyków oraz antyseptyków względem patogennych biofilmów. Uznaliśmy, że obserwacja ta może mieć fundamentalne znaczenie w opracowywaniu nowatorskich metod zwalczania biofilmów i zapobiegania ich powstawaniu, ale do tego celu konieczne było wyjaśnienie mechanizmów stojących za obserwowanym efektem. Dlatego podstawowym celem niniejszego projektu było wyjaśnienie mechanizmów istotnie podwyższonej aktywności związków przeciwdrobnoustrojowych – antyseptyków i antybiotyków – względem biofilmów bakteryjnych w obecności WPM.
Prace badawcze prowadzone były z wykorzystaniem generatorów WPM, skonstruowanych w trakcie realizacji wcześniejszego projektu „Lider V”, przyznanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
Wykorzystując zaawansowane techniki spektrometryczne wykazaliśmy, że WPM zmienia skład chemiczny macierzy biofilmowej, co przekładało się między innymi na jej podwyższoną porowatość, którą zaobserwowaliśmy z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej. Stwierdziliśmy także zmiany w stężeniach białek występujących w ścianie komórkowej bakterii poddanych ekspozycji na WPM. Ponadto udało nam się wykazać różnice w metabolizmie bakterii eksponowanych na WPM, przejawiające się między innymi zmianami w stężeniu cząsteczek odpowiedzialnych u bakterii za przekazywanie informacji. Udowodniliśmy również, że efekt wywierany przez WPM (bez substancji przeciwdrobnoustrojowej) manifestuje się poprzez spektrum relatywnie subtelnych zmian kumulujących się przede wszystkim w komórkowych strukturach zewnętrznych ‒ ścianach i błonach komórkowych oraz w macierzy biofilmowej. Aktywność WPM była na tyle subtelna, że komórki zdolne były do relatywnie szybkiego usuwania uszkodzeń, co z kolei przejawiało się brakiem trwałego efektu poekspozycyjnego. Jednakże, po wprowadzeniu do eksponowanych na WPM hodowli bakteryjnych środka przeciwdrobnoustrojowego, szczególnie takiego, którego mechanizm aktywności opiera się na uszkodzeniu ścian komórkowych, dochodziło do silnego podniesienia jego skuteczności, przejawiającej się zwiększoną liczbą martwych, niezdolnych do wzrostu komórek. Istotnie podniesioną efektywność substancji przeciwdrobnoustrojowej pod wpływem WPM obserwowaliśmy także przy zmniejszonym jej stężeniu i w krótszym czasie kontaktowym, w porównaniu do efektów osiąganych w układzie niepoddawanym ekspozycji na WPM. Jak ustaliliśmy, w tym wypadku zwiększona efektywność substancji przeciwdrobnoustrojowych związana była przede wszystkim z szeregiem zmian indukowanych przez WPM w morfologii, ale także w metabolizmie i proteomie bakterii, dzięki którym oddziaływała ona z osłabionymi pod względem funkcjonalnym i strukturalnym komórkami, a w przypadku kiedy rozpatrywany był biofilm, również z częściowo zdezintegrowaną macierzą.
Projekt realizowany był w ramach konsorcjum z instytutem naukowo-badawczym Sieć Badawcza Łukasiewicz ‒ PORT Polski Ośrodek Rozwoju Technologii. Koordynatorem projektu po stronie partnera był dr hab. Adam Junka, prof. UMW.
Pełny tytuł finansowanego projektu: Analiza mechanizmów zwiększonej efektywności substancji przeciwdrobnoustrojowych względem biofilmu w obecności wirującego pola magnetycznego
