L'interpretazione di un artista di come le cellule batteriche su una matrice di dischi d'oro nanoporosi vengono uccise dopo l'esposizione alla luce del vicino infrarosso. Credito:Greggy M. Santos e Wei-Chuan Shih
I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica per uccidere i batteri in pochi secondi utilizzando nanodischi d'oro altamente porosi e luce, secondo uno studio pubblicato oggi in Materiali ottici Express , una rivista pubblicata da The Optical Society. Il metodo potrebbe un giorno aiutare gli ospedali a curare alcune infezioni comuni senza usare antibiotici, che potrebbe aiutare a ridurre il rischio di diffusione della resistenza agli antibiotici.
"Abbiamo dimostrato che tutti i batteri sono stati uccisi abbastanza rapidamente... entro 5-25 secondi. È un processo molto veloce, " ha detto l'autore corrispondente Wei-Chuan Shih, un professore nel dipartimento di ingegneria elettrica e informatica, Università di Houston, Texas.
Gli scienziati creano nanoparticelle d'oro in laboratorio dissolvendo l'oro, riducendo il metallo in pezzi sconnessi sempre più piccoli fino a quando la dimensione deve essere misurata in nanometri. Un nanometro equivale a un miliardesimo di metro. Un capello umano ha tra i 50, da 000 a 100, 000 nanometri di diametro. Una volta miniaturizzato, le particelle possono essere lavorate in varie forme tra cui bacchette, triangoli o dischi.
Ricerche precedenti mostrano che le nanoparticelle d'oro assorbono fortemente la luce, convertendo rapidamente i fotoni in calore e raggiungendo temperature abbastanza elevate da distruggere vari tipi di cellule vicine, comprese le cellule cancerose e batteriche.
Nel 2013, Shih e i suoi colleghi dell'Università di Houston hanno creato un nuovo tipo di nanoparticella simile a un disco d'oro che misura poche centinaia di nanometri di diametro. I dischi sono pieni di pori, conferendo alle particelle un aspetto spugnoso che aiuta ad aumentare la loro efficienza di riscaldamento mantenendo la loro stabilità, disse Shih.
Immagini SEM di E. coli (a, b e c), B. subtilis (d, e ed f) e Exiguobacterium sp. AT1b (g, h e I) cellule depositate su array di dischi d'oro nanoporosi. Cellule batteriche nelle immagini A, D e G non sono stati esposti alla luce del vicino infrarosso. Tutte le altre cellule sono state esposte per 25 secondi. Credito:Greggy M. Santos e Wei-Chuan Shih
Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno deciso di testare le proprietà antimicrobiche delle loro nuove nanoparticelle quando attivate dalla luce. Sono cresciuti batteri in laboratorio tra cui E. coli e due tipi di batteri resistenti al calore che prosperano anche negli ambienti più roventi come le sorgenti termali del Parco Nazionale di Yellowstone.
Quindi, hanno posizionato le cellule batteriche sulla superficie di un rivestimento a strato singolo dei minuscoli dischi e hanno brillato su di essi la luce vicino all'infrarosso da un laser. in seguito, hanno usato test di vitalità cellulare e immagini SEM per vedere quale percentuale di cellule è sopravvissuta alla procedura.
Utilizzando una termocamera, il team di ricerca ha mostrato che la temperatura superficiale delle particelle ha raggiunto temperature fino a 180 gradi Celsius quasi istantaneamente, "consegnando shock termici" nell'array circostante. Di conseguenza, tutte le cellule batteriche sono state uccise entro 25 secondi, riferiscono i ricercatori.
E. coli si è rivelato più vulnerabile al trattamento; tutte le sue cellule erano morte dopo solo cinque secondi di esposizione al laser. Gli altri due tipi di batteri hanno richiesto tutti i 25 secondi, ma è ancora molto più veloce dei metodi di sterilizzazione tradizionali come l'acqua bollente o l'utilizzo di forni a calore secco, che può richiedere da minuti a un'ora per funzionare, disse Shih. Ed è "considerevolmente più breve" di quello che altri array di nanoparticelle hanno dimostrato in studi recenti, scrivono i ricercatori. Il tempo necessario per raggiungere livelli simili di morte cellulare in quegli studi varia da 1 a 20 minuti.
Nelle prove di controllo, i ricercatori hanno scoperto che né i dischi d'oro né la luce del laser da soli hanno ucciso quasi altrettante cellule.
La tecnica ha importanti potenziali applicazioni biomediche, disse Shih. Attualmente, i ricercatori stanno studiando l'utilizzo delle particelle come rivestimento semplice per i cateteri per aiutare a ridurre il numero di infezioni del tratto urinario negli ospedali.
"Qualsiasi tipo di procedura attivata dalla luce sarebbe molto più facile da implementare al capezzale di un paziente, " invece di rimuovere ed eventualmente sostituire il catetere ogni volta che deve essere pulito, Egli ha detto.
Un'altra potenziale applicazione che stanno esplorando è l'integrazione delle nanoparticelle con membrane filtranti in piccoli filtri per l'acqua, Egli ha detto, per contribuire a migliorare la qualità dell'acqua.
