Nytt sätt att avslöja bakterier

Med hjälp av molekyler som byter färg går det att visualisera bakterier på ett helt nytt sätt. Agneta Richter Dahlfors ser en rad applikationer av den nya tekniken – från att kunna larma om infektioner till att mäta halten cellulosa i pappersmassa.

Bakterier är mästare på att överleva och finns överallt i miljön. Ofta är de harmlösa eller till nytta, som i våra tarmar, men inom sjukvården kan de orsaka infektioner. Dessa så kallade vårdrelaterade infektioner drabbar ungefär var tionde patient och landstingens extra vårdkostnader uppgår till flera miljarder årligen.

– Särskilt knepigt blir det när man bryter hudbarriären och sätter kanyler och liknande. Och när det gäller patienter som är nedsövda, till exempel de som ligger i respirator, kan de inte själva förmedla att de får en infektion, säger Agneta Richter Dahlfors, professor i cellulär mikrobiologi och centrumchef vid Swedish Medical Nanoscience Center vid Karolinska Institutet.

Tillsammans med kollegan Peter Nilsson, professor i bioorganisk kemi vid Linköpings universitet, får hon stöd av Familjen Erling-Perssons stiftelse för projektet Biosensorer för vårdrelaterade infektioner.

Bakterier bildar samhällen

Enstaka bakterier, eller mindre kolonier, går att komma åt med antibiotika. Men bakterier kan också organisera sig i stora, tredimensionella samhällen, så kallad biofilm. Där lever bakterierna inbakade i ett slags ”slem” som de skapar och som består av olika sockerkedjor – polysackarider – och proteiner. Dessa biofilmer är mycket svårgenomträngliga. Agneta Richter Dahlfors berättar hur hon inför sin medverkan i TV funderade på hur hon skulle beskriva fenomenet.

– Jag hade russin på en papptallrik som föreställde enstaka bakterier och som var lätta att svepa bort. Men russin ingjutna i gelatin var betydligt svårare att bli av med, precis som bakterier i riktig biofilm, säger hon.

Ett exempel på biofilm och dess negativa hälsokonsekvenser är den så kallade tampongsjukan. När kvinnor började använda tamponger förstod de inte vikten av att byta den tillräckligt ofta, och det orsakade både förgiftning och dödsfall.

– En tampong är en perfekt yta för bakterier att växa på – varmt, fuktigt och näringsrikt. Om de bildar biofilm så kan alla bakterier pysa ut toxiner samtidigt, vilket snabbt ger en stor mängd gift, säger hon.

Bakteriell biofilm kan byggas upp på katetrar och kanyler, men även inuti kroppen. Det är biofilm av bakterier som ger karies på våra tänder, men de växer även på implantat, som på en höftprotes. Det är själva biofilmen, inte enstaka bakterier, som forskarna vill kunna detektera och visualisera.

Molekyler som ändrar färg

Biofilm_small

Unik avbildning. Här syns biofilm som skapats av salmonella-bakterier (gröna prickar). Biofilmen består av cellulosa (röd) och ett protein som kallas curli (blått). KÄLLA: Ferdinand Choong, Swedish Medical Nanoscience Center

Peter Nilsson har i sin forskargrupp studerat proteiner som bildar svårlösliga aggregat, så kallad amyloid. Hans grupp har utvecklat metoder för att skapa molekyler som kan binda till vissa strukturer. I detta projekt är det just strukturer i biofilm som är målet. Detektionsmolekylerna består av två delar – en del som binder en viss, önskad struktur och en del som kan sända ut ljus. Det fiffiga är att molekylerna ändrar form när de binder till sin målstruktur, något som gör att deras optiska egenskaper ändras.

Det innebär att molekylen – när den blir belyst – skickar ut olika färg beroende på om den har bundit till målmolekylen eller ej. I en studie som publicerats i tidskriften npj Biofilms and Microbiomes har forskarna kunnat visa att metoden fungerar för att detektera den biofilm som salmonellabakterier skapar.

– Det är första gången någon har kunnat visualisera själva slemmet, biofilmen, säger Agneta Richter Dahlfors.

I pågående försök studerar de nu biofilm som skapas av andra slags bakterier som orsakar problem i sjukhusmiljön, exempelvis de E.coli-bakterier som orsakar urinvägsinfektioner.

Ett steg mot minskad antibiotikaresistens

Ett användningsområde för de optiska molekylerna är inom vården för att studera infektioner. Exempelvis skulle katetrar eller kanyler kunna sprayas med signalmolekyler som sedan, om de binder till biofilm, kan användas som larm.

– Det ger en oerhört stor flexibilitet om man kan översätta en kemisk insignal till en elektrisk utsignal – den elektriska signalen går att skicka vart man vill. Exempelvis kan det plinga till i en elektronisk journal, på en anslagstavla i korridoren eller i patientens mobil om man lägger om sina egna sår hemma, exemplifierar Agneta Richter Dahlfors.

Att snabbt och enkelt kunna detektera biofilm kan också bli ett sätt att minska onödig användning av antibiotika och i förlängningen minska risken att bakterier utvecklar motståndskraft och blir antibiotikaresistenta.

– Kan vi snabbt ta reda på vilken slags bakterier som orsakar infektion, går det också snabbt för läkaren att sätta in rätt antibiotika. Eller om man ska undvika antibiotika helt, eftersom den fungerar mycket sämre på bakterier in en biofilm. Det kan leda till minskad användning, säger hon.

Att minska antibiotikaanvändningen är viktigt i vården, men även i andra delar av samhället, exempelvis djurbesättningar.

– Ett mål som vi arbetar mot är att utveckla ett snabbt och enkelt system så att en kycklingfarmare enkelt ska kunna testa om djuren bär på Salmonella eller Campylobacter, säger Agneta Richter Dahlfors.

Från bakterier till pappersmassa

En signal som ofta dök upp i biofilmprover visade sig härröra från cellulosa. Det är en kedja av sackarider som bygger upp träd, men som också E.coli-bakterier tillverkar för att bygga sin biofilm.

– Vi insåg att vi med vårt system skulle kunna mäta på pappersmassa och se hur ren den är. Trä består av en tredjedel vardera av cellulosa, hemi-cellulosa och lignin. Cellulosan vill man ha kvar, men inte ligninet, som bidrar till dåliga egenskaper i pappret, säger Agneta Richter Dahlfors, som nämner att hon har släktingar i ”massa-branschen”.

– Min farfar var först med kontinuerlig kokning, alltså att man kontinuerligt tillförde träflis som kokades och så avskildes pappersmassa kontinuerligt, säger hon.

Att studera hur ren pappersmassa är med avseende på cellulosainnehåll, något som forskarna publicerade i tidskriften Scientific Reports, är bara en av många tillämpningar.

– Det gäller egentligen bara att ställa rätt fråga – ”vad binder molekylen till?” Då går det att designa en rad olika tillämpningar, säger hon och fortsätter:

– Inom fem år tror jag vi har helt ny bioteknik, där vårt system rutinmässigt används för att detektera biofilm och infektioner både i och utanför kroppen, men även innehåll i olika växter och i amyloid.

Stödet från Familjen Erling-Perssons stiftelse är viktigt.

– Förutom att det ger oss resurser, ger det oss också tid att forska. I många fall påminner forskningen i dag om att driva företag, med budgetar som ska hållas och ständig återrapportering – när det gäller EU-projekt handlar det om rapporter varje kvartal. Här får vi tid att ägna oss åt det som vi är bra på, säger Agneta Richter Dahlfors.

OM Agneta Richter Dahlfors:

ARD_small Agneta Richter Dahlfors är professor i cellulär mikrobiologi och centrumchef vid Swedish Medical Nanoscience Center vid Karolinska Institutet. Hon disputerade inom mikrobiologi vid Uppsala Universitet och gjorde därefter sin postdoc inom mikrobiell patogenes, det vill säga studier av hur bakterier orsakar sjukdom, vid University of British Columbia, i Vancouver, Kanada.

Hon har startat flera företag, där Richter Life Science Development AB bildades 2012, äger, förvaltar och skapar kommersiell nytta av patent, exempelvis inom kolhydratdetektion. År 2015 grundade företaget bolaget Ebba Biotech AB.

Agneta Richter Dahlfors OM multidisciplinära samarbeten:

Samarbeten som spänner över olika ämnesområden skapar enorm kreativitet, det är som högoktanigt bränsle för tankarna! Men samtidigt kommer det med stora utmaningar. Personer med olika utbildningar måste skapa sig ett gemensamt språk, hitta samarbetsformer som fungerar för båda parter, samt skapa en infrastruktur som gör det möjligt att utföra experiment med både tekniska, biomedicinska och kliniska komponenter. När alla komponenter faller på plats uppstår en otrolig energi, som kommer både den vetenskapliga och personliga utvecklingen till gagn.

Till film om att visualisera bakteriell biofilm (på engelska)

Text: Lotta Fredholm

Till fler artiklar