Det er svært at studere, hvordan bakterier opfører sig, når de danner biofilm i eksempelvis lungerne hos en patient med cystisk fibrose. Det problem har danske forskere løst med en ny opfindelse.
Bakterier, eksempelvis i lungerne hos patienter med cystisk fibrose, danner såkaldte biofilm, hvor de klumper sig sammen i et lag af slim.
Her ligger de lunt og godt og optager ikke særligt mange næringsstoffer eller for den sags skyld vokser.
Når bakterierne danner biofilm, er de meget svære at slå ihjel, og det er generelt den dårligste nyhed for patienter med cystisk fibrose.
Problemet bliver ikke mindre af, at det er meget svært at studere bakterier i biofilm i laboratoriet og derved identificere de bedste muligheder for at slå dem ihjel.
Det problem har danske forskere dog fundet en løsning på, og det kan betyde meget bedre muligheder for blandt andet at udvikle og teste antibiotika til patienter med cystisk fibrose og en lang række andre sygdomme, hvor biofilm af bakterier er skurken.
”Biofilm er en af grundene til, at det er så svært at behandle patienter med cystisk fibrose ordentligt. Når vi så prøver at screene for potentielle behandlinger i laboratoriet, kan vi heller ikke få det til at virke, fordi vi ikke kan genskabe betingelserne i lungerne. Og hvis man endelig kan genskabe betingelserne, tager det lang tid og er meget omstændigt. Vi har udviklet en metode, som gør det meget lettere at undersøge bakteriers biofilmdannelse, og hvordan man kan slå dem ihjel,” fortæller en af forskerne bag opfindelsen, professor og sektionsleder på Institut for Sundhedsteknologi ved Danmarks Tekniske Universitet Anja Boisen.
Forskningen, der er resultatet af et samarbejde mellem DTU Healthcare, DTU Biosustain og Rigshospitalet, er offentliggjort i Analytical Chemistry.
Biofilm er svære at genskabe i laboratoriet
Inden vi kommer til den opfindelse, som Anja Boisen med kollegaer har disket op med, skal vi lige rundt om det problem, som de kommer med en løsning på.
Når bakterier danner en biofilm, udskiller de en såkaldt matrix af slim, der består af proteiner, sukkerstoffer, DNA og fedtstoffer.
Matricen gør, at bakterierne som samfund kan forankre sig til en overflade, og at de bliver beskyttet mod omverden.
Man kan kalde biofilmen for bakteriernes fæstning, som blandt andet antibiotika har svært ved at trænge igennem.
Biofilmdannelse forekommer ikke eksklusivt i lungerne hos patienter med cystisk fibrose, men findes over alt fra på tænderne og i kroniske sår til på indersiden af slanger og rør, som benyttes til patienter på hospitaler.
Med den store lægevidenskabelige interesse i at modvirke dannelsen af biofilm er det klart, at rigtig mange læger og forskere gerne vil have biofilmen ud af eksempelvis lungerne hos en patient med cystisk fibrose og ned på en plade i laboratoriet, som de derefter kan prøve at påvirke med antibiotika eller stikke ind under mikroskopet.
Det har dog været lettere sagt end gjort.
”Problemet er at genskabe noget, som realistisk gengiver det miljø, som bakterierne lever i. Drejer det sig om lungerne, vokser de i en tredimensionel struktur, og adgangen til næringsstoffer er flydende henover biofilmen. Så nytter det ikke noget, at man dyrker bakterierne på en flad agarplade, hvor næringsstofferne kommer nedefra. Det skaber ikke et realistisk miljø og er derfor ikke velegnet til at studere biofilm,” forklarer Anja Boisen.
Ligner en DVD, men kan dyrke biofilm under realistiske forhold
Trods problemstillingen har forskere udviklet forskellige teknikker, der alligevel tillader at få et indblik i, hvad bakterierne i en biofilm laver. Men som Anja Boisen siger:
”Det kan være, at selve chippen til at dyrke bakterier på er meget lille, men så er der 500 rør og slanger bagved, som gør det hele enormt stort og upraktisk at arbejde med.”
Som en nyskabelse inden for studier af biofilm har Anja Boisen og hendes hold af forskere udviklet en helt ny måde at dyrke bakterier i biofilm på.
I store træk går opfindelsen ud på, at forskerne har lavet en masse kamre og åbninger i en plastikskive, som ligner en DVD, for at skabe et miljø, hvor biofilm kan vokse.
Når skiven meget langsomt drejes rundt af en rotor, bevæger næringsstofferne – måltider for bakterier – fra midten ud mod kanten af skiven, hvor der ligger nogle små kamre, som bakterier kan vokse og danne biofilm i.
Det betyder, at når forskerne eksempelvis tilsætter et næringsstofrigt medie, løber det henover skiven og bakteriefilmen, som optager den mængde, som bakterierne skal bruge for at vokse.
Bakterierne på DVD’en er også lette at studere under et mikroskop, og så kan hele opsætningen placeres i et varmeskab ved 37 grader for at give bakterierne de bedste betingelser at vokse under.
”De skal kun have lidt væske og lidt mad hele tiden for at vokse, og de vil helst gro på denne måde, hvor der er et flow henover dem. Det skal ligne det, som man eksempelvis kender fra kroppen, hvor det også er i 3D og med et flow af næringsstoffer,” siger Anja Boisen.
Kan finde mest effektive antibiotikum til patienter med cystisk fibrose
Det geniale ved den nyudviklede metode er, at den tillader forskerne at studere ikke bare biofilmdannelse, men også effekten af at behandle en biofilm med forskellige former for antibiotika og i forskellige kombinationer.
Det kan man gøre i et forskningsøjemed, hvor formålet er at udvikle ny antibiotika eller nærstudere en bakteries respons på at blive udsat for et antibiotikum, eller man kan gøre det direkte i behandlingen af patienter.
Anja Boisen forestiller sig som eksempel, at man ud fra ophost fra en patient med cystisk fibrose dyrker bakterierne i en biofilm med den nyudviklede metode og derefter tester en masse former for antibiotika på netop den type bakterier, som den enkelte patient har i lungerne.
Finder man et antibiotikum eller en kombination af antibiotika, som ser ud til at være særligt effektive, er det bare om at prøve dem af i patienten.
”Man vil på den her måde hurtigt kunne tilpasse behandlingen, fordi det ikke tager mere end et par dage at dyrke bakterierne i en biofilm og afprøve forskellige behandlinger på dem. Hver disk indeholder otte kamre, så man kan prøve flere forskellige behandlinger samtidig,” forklarer Anja Boisen.
Opfindelse er patenteret
Anja Boisen ser også forskellige potentialer i den nye metode inden for basalforskning.
Blandt andet forsker hun selv i nye metoder til at aflevere antibiotika lige der, hvor det vil gøre allermest skade på bakterier.
Denne metode har forskerne allerede afprøvet på biofilm, som er dyrket på diskene, og resultaterne bliver snart publiceret.
”Vi kan også sætte kamera på disken, så vi kan følge bakterievæksten i realtid. Vi kan også måle på dem med forskellige måleinstrumenter og på den måde få en meget bedre indsigt i, hvad der sker, når bakterierne går fra at opføre sig på én måde som enkelte bakterier til at opføre sig på en helt anden måde i en biofilm,” siger Anja Boisen.
Forskeren fortæller også, at det nye laboratorieudstyr allerede er patenteret, og at forskerne har gang i samtaler med en industriel partner om at få det masseproduceret og sendt ud i verden.
“Bacterial cell cultures in a lab-on-a-disc: a simple and versatile tool for quantification of antibiotic treatment efficacy” er udgivet i Analytical Chemistry. Forskere fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU, Kongens Lyngby er medforfattere på publikationen.
