Biofilm-immagine credit Yale.
I biofilm, ovvero comunità batteriche racchiuse in una matrice appiccicosa e ricca di polimeri, possono essere difficili da trattare perché tale matrice rallenta l’azione degli antibiotici e delle particelle che li trasportano. Tuttavia, grazie all’utilizzo del sale, i ricercatori di Yale hanno trovato un modo per indirizzare queste particelle all’interno di alcuni biofilm e, in certi casi, persino per deformare il biofilm stesso.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Soft Matter.
“I biofilm possono essere indesiderabili in ambito biomedico: ad esempio, sugli impianti medici possono causare infezioni”, ha affermato il Professor Amir Pahlavan, che ha guidato lo studio, pubblicato come articolo su invito nella serie “Emerging Investigator” della rivista. “Vorremmo individuare ed eliminare i batteri patogeni all’interno di questi biofilm. Tuttavia, la matrice polimerica che circonda i batteri agisce come uno strato protettivo appiccicoso che limita la nostra capacità di veicolare i farmaci in profondità nel biofilm e consente ai batteri di sopravvivere ai trattamenti antimicrobici”.
In genere, le molecole e i vettori di farmaci si affidano alla diffusione attraverso la matrice del biofilm, ovvero a una diffusione passiva piuttosto che a un target attivo.
“La diffusione di particelle di dimensioni nano e micrometriche può essere molto lenta e inefficiente”, ha affermato Pahlavan, Professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali. “Ciò può richiedere una dose elevata di particelle, affinché alcune di esse raggiungano il bersaglio“.
Per ovviare a questo problema, i ricercatori hanno studiato la diffusiophoresi, ovvero il movimento di particelle sospese (note anche come “colloidi”) causato da una variazione graduale, o gradiente, della concentrazione di una sostanza disciolta. Hanno riempito i pori del biofilm con una soluzione ad alta concentrazione salina, quindi hanno introdotto particelle colloidali disperse in una soluzione a concentrazione salina molto inferiore. Il gradiente risultante ha spinto le particelle all’interno del biofilm. Senza il gradiente salino, la penetrazione delle particelle era molto più limitata.
“Uno dei vantaggi di questa idea è che, se funziona, non c’è più bisogno di una dose enorme di nanoparticelle”, ha detto Pahlavan.
Il team ha coltivato biofilm di E. coli per periodi di tempo diversi in pori ciechi su un chip microfluidico, quindi ha tracciato particelle fluorescenti. Nei biofilm meno densi, il gradiente di sale ha trasportato le particelle a una profondità significativamente maggiore rispetto agli esperimenti di controllo senza gradiente. Tuttavia, la penetrazione è diminuita con la maturazione e l’aumento della densità del biofilm, fino a raggiungere, in definitiva, un livello simile a quello del controllo.
“Questa strategia funziona, ma dipende da dove e quando la si utilizza”, ha affermato Pahlavan. “Se lasciamo che i batteri si moltiplichino troppo a lungo, il biofilm diventa molto denso e non riusciamo a far penetrare la particella”.
Il primo autore, Zehao Chen, uno studente di dottorato che ha condotto gli esperimenti e le simulazioni, ha scoperto un risultato controintuitivo: le particelle da 1.000 nanometri penetravano più in profondità rispetto alle particelle da 40 nanometri.
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“Ci si potrebbe aspettare che le particelle più piccole abbiano un vantaggio nel muoversi in spazi ristretti”, ha affermato Chen. “Invece, nelle condizioni che abbiamo testato, le particelle più grandi hanno risposto in modo più marcato al gradiente di sale”. Ciò suggerisce che la dimensione ottimale del vettore potrebbe dipendere dallo stato del biofilm.
I ricercatori ipotizzano inoltre che il gradiente abbia causato la deformazione e l’espansione della matrice del biofilm, con il flusso che avrebbe poi dilavato parte del materiale. Resta da verificare se questo processo sia effettivamente in grado di rimuovere i biofilm in modo affidabile.
“Stiamo cercando di capire la fisica precisa alla base di questo processo”, ha detto Chen.
Pahlavan ha osservato che lo studio trasforma la densità del biofilm da ostacolo a parametro di progettazione.
“Questo metodo individua la finestra temporale in cui il trasporto guidato dal gradiente funziona e il regime di maggiore densità in cui tale vantaggio si perde in gran parte”, ha affermato. “Gli stessi principi fisici potrebbero essere rilevanti anche nei sistemi idrici e industriali, dove i biofilm ostruiscono tubature e altri spazi confinati e dove le particelle potrebbero dover essere trasportate in una matrice densa“.
Fonte: Università di Yale