Infecties bestrijden met licht: anti­bacteriële foto­dyna­mische therapie

De succeskans van antibiotica tegen bacteriële infecties daalt door de toenemende resistentie van bacteriën. Dit leidt tot een dringende behoefte aan nieuwe vormen van antimicrobiële therapie. Fotodynamische therapie is een veelbelovende kandidaat. Tijdens haar promotieonderzoek ontwikkelde en testte biochemicus dr. Mafalda Bispo moleculen die met succes kunnen worden ingezet tegen (specifieke) bacteriën.

Fotodynamische therapie (PDT) maakt gebruik van moleculen die zich gedragen als Dr. Jekyll en Mr Hyde. ‘Onschuldige’ moleculen die pas na aanstralen met licht van een bepaalde golflengte toxisch worden voor hun omgeving. Dat doen ze door met de lichtenergie zuurstofmoleculen in hun omgeving om te zetten in reactieve zuurstofmoleculen (H₂O₂, O₂^–, OH⁺). De reactieve zuurstofmoleculen zijn in staat levende cellen als bacteriën, virussen, schimmels en ook eukaryotische cellen te doden.

Geïndiceerde behandeling

PDT is inmiddels in de Verenigde Staten goedgekeurd als behandeling bij enkele vormen van kanker, zoals slokdarm-, blaas-, long- en darmkanker. In Nederland is PDT een geïndiceerde behandeling bij (natte) maculadegeneratie en centrale sereuze chorioretinopathie.

Doelgericht

“PDT is op papier ook een goede techniek ter bestrijding van bacteriële infecties”, vertelt de van oorsprong Portugese biochemicus Bispo. Zij heeft promotieonderzoek verricht bij de werkgroep moleculaire bacteriologie van het Universitair Medisch Centrum Groningen. “Het belangrijkste doel van mijn onderzoek was foto-activeerbare moleculen te maken en te testen die specifiek binden aan bepaalde soorten bacteriën. Bijvoorbeeld Grampositieve bacteriën of, heel specifiek, alleen S. aureus. Met dergelijke moleculen kun je de antibacteriële behandeling zeer doelgericht en bovendien zeer snel laten verlopen, waardoor de kans op het ontstaan van resistente bacteriën zeer klein blijft.”

Specifiek binden

Hoe maakte Bispo de foto-activeerbare moleculen doelgericht? Door ze in het laboratorium te koppelen aan moleculen die specifiek binden aan bepaalde bacteriën, vertelt ze. Zo koppelde de biochemicus de foto-activeerbare moleculen IRDye 800CW en IRDye 700DX aan vancomycine, een antibioticum dat specifiek bindt aan Grampositieve bacteriën. Door IRDye 700 DX te koppelen aan een antilichaam gericht tegen S. aureus, ontwierp zij een foto-activeerbaar molecuul dat specifiek bindt aan S. aureus. Hetzelfde effect verkreeg zij door IRDye 700DX te koppelen aan een eiwit van een bacteriofaag die specifiek S. aureus lyseert.

“PDT met 1D9-700DX of Vanco-700DX doodt in vitro specifiek en zeer effectief S. aureus”

MRSA

“Ik heb vervolgens kunnen aantonen dat PDT met lage concentraties van deze moleculen in vitro inderdaad in staat is specifiek de bacteriestammen te doden waartegen de moleculen zijn gericht. PDT met 1D9-700DX of Vanco-700DX bijvoorbeeld, doodt in vitro specifiek en zeer effectief S. aureus. Heel interessant daarbij is ook dat PDT met deze moleculen in staat is biofilms open te breken, zelfs biofilms van meticilline-resistente S. aureus, de gevreesde MRSA-bacterie.” Een biofilm is een beschermende laag die bacteriën soms om zich heen creëren, waardoor zij onbereikbaar worden voor (klassieke) antibiotica. “Ook is PDT met Vanco-700DX in staat MRSA-bacteriën te doden die zich in macrofagen hebben verscholen, zonder dat daarbij de macrofaag zelf beschadigd raakt.”

“PDT met 1D9-700DX is in staat sterfte volledig te voorkomen bij rupsen na een infectie met de S. aureus”

Wasmot

In haar onderzoek zette Bispo vervolgens de eerste stappen naar het in vivo toepassen van PDT met de door haar ontworpen moleculen. “We hebben de effectiviteit van PDT met 1D9-700DX tegen twee stammen S. aureus getest in rupsen van Galleria mellonella, de grote wasmot. Die mot heeft een aangeboren immuunsysteem dat enigszins te vergelijken is met dat van zoogdieren. We zagen dat PDT met 1D9-700DX in staat is sterfte bij de rupsen na een infectie met de S. aureus volledig te voorkomen.”

Orthopedische implantaten

Bispo vervolgt: “Ten slotte hebben we de effectiviteit van antimicrobiële PDT getest in een humaan post mortem-model voor infecties op orthopedische implantaten. Hierbij cultiveerden we S. aureus op nitrocellulose membranen die we daarna met 1D9-700DX behandelden. Vervolgens brachten we die membranen onderhuids aan op het scheenbeen, sloten de huid en beschenen de huid op de plaats van de membranen met nabij-infrarood licht. Dat bleek voldoende te zijn om de S. aureus op de membranen te doden. Hieruit concluderen we dat je met deze vorm van PDT tot ongeveer één centimeter onder de huid effectief bacteriën kunt doden.”

“Ik denk dat het behandelen van geïnfecteerde implantaten een van de eerste toepassingen in de kliniek gaat worden”

Biofilm openbreken

Uiteraard moeten nog veel stappen volgen alvorens PDT met de door Bispo ontworpen moleculen een reguliere antimicrobiële behandeling is. “Ik denk dat het behandelen van geïnfecteerde implantaten een van de eerste toepassingen in de kliniek gaat worden. De afdeling in Groningen gaat nu in samenwerking met orthopeden van de Universiteit van Californië – Los Angeles (UCLA) een muizenmodel ontwikkelen voor verder onderzoek naar PDT met onze moleculen bij geïnfecteerde implantaten. Op die geïnfecteerde implantaten ontwikkelt zich vaak een biofilm. PDT kan helpen die biofilm open te breken, waarna de bacteriën weer toegankelijk worden voor klassieke antibiotica.”

Diagnostiek

Bispo noemt een andere toepassing: “Deze techniek is ook uitstekend te gebruiken om bacteriële infecties aan te tonen. Als je het licht-activeerbare molecuul uitrust met een fluorescerende molecuul, zal het na aanstralen fluorescent licht gaan uitstralen. Je kunt dan precies zien waar de infectie zit. En door gebruik te maken van moleculen die specifiek hechten aan één soort bacterie, weet je meteen om welke bacterie het gaat.” Hier is meer informatie te vinden over het promotieonderzoek van Bispo.

Lees meer over: