Pionjärer för nanomaterial inom biomedicin

Svårbehandlade infektioner vid implantat är vanliga och utgör en stor risk för patienter. På Karolinska Institutet utförs spjutspetsforskning i gränslandet mellan biomedicin och materialvetenskap, där nanomaterial kan få en tillämpning inom detta och andra angelägna medicinska områden.

Nanomaterial har stor potential inom medicin eftersom deras extremt små dimensioner gör det möjligt för dem att interagera med såväl riktigt små enheter som proteiner, DNA eller virus, men även med större enheter som celler. Sedan 2016 leder Georgios Sotiriou en forskargrupp på Institutionen för mikrobiologi, tumör- och cellbiologi (MTC) på Karolinska Institutet, med fokus på nanopartiklars användningsområden inom hälsovården.
Projektet finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning och har tre huvudsakliga fokusområden: att utveckla nanopartiklar för snabb och exakt diagnostik, nanopartiklar som målsökande transportörer av läkemedel, samt slutligen att utveckla dem för nästa generations ytmaterial för implantat.

Nära infrarött ljus
I detta sistnämnda område har forskargruppen nyligen publicerat lovande resultat.
– En stor risk vid alla former av implantat är infektion. Bakterier bildar ofta en slemmig hinna som kallas biofilm, som är mycket resistent mot antibiotika och annan behandling. Detta leder ofta till att implantatet måste avlägsnas. Nu har vi sett att nära infraröd elektromagnetisk strålning (NIR) i kombination med en särskild ytbehandling av implantatet med nanosilver kan vara ett sätt att eliminera biofilmen. Laserljuset hettar upp implantatet så att bakterierna dör, berättar doktoranden Padryk Merkl, som har examen i kemisk fysik från universitetet i Edinburg.
Ytbehandlingen med nanosilver är nödvändig för att NIR ska absorberas i implantatet och inte bara gå rakt igenom vävnaden. Nanosilvret täcks i sin tur av silikon, så att det inte ska läcka ut i kroppen. Tekniken kan lätt skalas upp kraftigt för användning i kliniska studier och, så småningom, kommersiell tillverkning av implantat.

Kontrollera pH-värde
Forskarteamet har även utvecklat en teknik för att mäta pH-värdet i biofilmen kring ett implantat, något som tidigare visat sig vara svårt. pH-värdet är en viktig markör, eftersom bakterier producerar en sur mikromiljö. Denna kunskap kan användas för att designa material som riktar sig mot biofilmen. Genom en bättre förståelse för surhetsgrad kan man skapa ett ytmaterial som frigör läkemedel när biofilmen bildas. Implantat täcks ofta med kalciumfosfat vid tillverkningen. Forskarna har därför skapat en specialdesignad nanopartikel av kalciumfosfat där man kan bedöma pH-värdet genom att belysa partikeln med ultraviolett ljus. Eftersom nanopartikeln är fosforescerande kan pH-värdet mätas utefter hur starkt det utsända ljuset är. Återigen är detta en metod som lätt kan skalas upp.
Tanken är att dessa teknologier i framtiden kan utnyttjas vid design av implantat, så att implantaten redan från början har egenskaper som motverkar infektion. Därmed elimineras eller reduceras behovet av antibiotika och plågsamma och riskfyllda kirurgiska interventioner.

Perfekt miljö på KI
– Vi är väldigt nöjda med resultaten hittills. KI är en perfekt miljö för den här typen av tvärdisciplinär forskning. Här har vi tillgång till ledande experter inom biomedicin, som alla bidrar med sina perspektiv. Den sortens samverkan ger stora synergieffekter. Vi har också tillgång till fantastisk infrastruktur och säkerhetsanpassad labbmiljö där vi kan testa kliniskt relevanta bakterier. Den här typen av forskning går inte att bedriva på ett materiallabb, säger Georgios Sotiriou, som är civilingenjör i tillämpad fysik i botten och har en stark tvärdiciplinär drivkraft för att kombinera avancerad materialvetenskap med biomedicin.
Georgios forskning ligger i frontlinjen för att utveckla nanopartiklar för biomedicinska tillämpningar och han har fått stora forskningsanslag från olika finansiärer, förutom SSF bland annat Europeiska forskningsrådet, ERC. Han vill gärna lyfta fram SSF:s program Framtidens forskningsledare, där han tillsammans med andra framstående unga forskare får betydande bidrag och ledarskapsutbildning i form av seminarier, workshops och studieresor.
– Det är ett utmärkt program, där jag får möjlighet att skapa värdefulla nätverk och en stark plattform för min framtida forskargärning.