Samenvatting voor niet ingewijden

University of Groningen
The development of antimicrobial biomaterial surfaces
Gottenbos, Bart
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2001
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Gottenbos, B. (2001). The development of antimicrobial biomaterial surfaces Groningen: s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting voor niet ingewijden
Door de toenemende vergrijzing van de bevolking stijgt het gebruik van lichaamsvreemde
materialen voor herstel en ondersteuning van lichaamsfuncties, de zogenaamde biomaterialen.
Een veelvoorkomend probleem bij het gebruik van biomedische implantaten en hulpmiddelen,
zoals bijvoorbeeld heup protheses, kunst hartkleppen of urineweg katheters, is infectie. Deze
infecties ontstaan omdat eencellige organismen, meestal bacteriën (deze hebben een grootte
van ongeveer één duizendste millimeter), hechten aan het oppervlak van deze
lichaamsvreemde materialen. Het afweersysteem van de patiënt kan deze gehechte bacteriën
moeilijk uitschakelen, omdat de bacteriën aan de ene kant beschermd worden door het
biomateriaal oppervlak, en aan de andere kant door een slijmlaag, die ze zelf aanmaken. De
gehechte bacteriën kunnen zich hierdoor gemakkelijk ongehinderd vermeerderen, wat ze doen
door zich steeds opnieuw in tweeën te delen op het biomateriaal oppervlak, een proces wat we
oppervlakte groei genoemd hebben. Zo onstaat een laag bacteriën, een zogenaamde biofilm,
op het implantaat, en in dit stadium spreken we van een biomateriaal-gerelateerde infectie.
Door deze infectie kan het implantaat slecht gaan functioneren, terwijl de patiënt pijn krijgt,
ziek wordt en uiteindelijk zelfs kan overlijden. Omdat bacteriën in een biofilm ongevoelig
zijn voor antibiotica, is vaak de enige remedie tegen biomateriaal-gerelateerde infecties het
verwijderen van het implantaat of hulpmiddel (Hoofdstuk 1). Het is dus beter om dit soort
infecties te voorkomen, door biomaterialen te gebruiken waarop bacteriën geen biofilm
kunnen vormen. Het doel van het onderzoek beschreven in dit proefschrift was te
onderzoeken hoe we het oppervlak van biomaterialen moeten veranderen om de groei van
gehechte bacteriën tegen te gaan.
Hiervoor werd eerst een methode bedacht om de hechting en groei van gehechte
bacteriën te meten (Hoofdstuk 2). De hechting van bacteriën werd gemeten door met een
microscoop op het biomateriaal oppervlak te kijken en bacteriën in een vloeistof zonder
voedingsstoffen langs te laten stromen. Vervolgens werd de oppervlakte groei van de
gehechte bacteriën gemeten door vloeibaar voedsel langs te laten stromen. Ook het eventueel
weer loslaten van bacteriën van het biomateriaal oppervlak kon op deze wijze bekeken
worden.
Met deze methode werd de hechting en groei gemeten van twee verschillende
bacteriesoorten op acht verschillende, veel gebruikte biomaterialen (Hoofdstuk 3). Hieruit
115
Samenvatting
bleek dat het aantal bacteriën wat hechtte, weinig verschilde tussen de biomaterialen, terwijl
de oppervlakte groei juist wel veel verschilde. De onderzochte bolvormige bacterie
(Staphylococcus epidermidis) groeide sneller op meer water afstotende (hydrofobe)
biomaterialen, waarschijnlijk door een betere beschikbaarheid van voedsel op deze
materialen. Dit gold echter niet voor de onderzochte staafvormige bacterie (Pseudomonas
aeruginosa). Deze groeide langzamer op biomaterialen waarvan er minder bacteriën van het
oppervlak loslieten, m.a.w. biomaterialen waar de bacteriën vaster aan gehecht zaten. Dit
komt waarschijnlijk omdat deze bacteriën zich eerst moeten verlengen, voordat ze in tweeën
kunnen delen. Voor het verlengen over het biomateriaal oppervlak moeten ze een
wrijvingskracht overwinnen, die groter is naarmate de aantrekking tussen de bacterie en het
biomateriaal oppervlak groter is.
Deze theorie is verder onderzocht in Hoofdstuk 4, waar de hechting en oppervlakte
groei van twee staafvormige (P. aeruginosa en Escherichia coli) en twee bolvormige (S.
epidermidis en Staphylococcus aureus) bacteriesoorten werd gemeten op drie biomateriaal
oppervlakken met een verschillende elektrische lading, sterk negatief, negatief en positief.
Omdat bacteriën een negatieve elektrische lading bezitten, worden ze elektrisch afgestoten
door negatief geladen oppervlakken, en aangetrokken door positief geladen oppervlakken. Dit
was dan ook duidelijk te zien aan de snelheid waarmee de bacteriën hechtten, die het laagst
was op het meest negatief geladen oppervlak, en het hoogst op het positief geladen oppervlak.
Oppervlakte groei van de staafvormige bacteriën was geheel afwezig op het positief geladen
materiaal, terwijl deze normaal groeiden op de negatief geladen oppervlakken. De groei van
de bolvormige bacteriën werd nauwelijks beïnvloed door de lading van het oppervlak waar ze
op gehecht waren. Op het positief geladen oppervlak worden de staafvormige bacteriën dus
waarschijnlijk zo sterk aangetrokken dat ze de wrijvingskracht niet meer kunnen overwinnen,
en niet in tweeën kunnen delen.
Biomaterialen met een positief geladen oppervlak worden dus mogelijk minder gauw
door staafvormige bacteriën geïnfecteerd, maar de omstandigheden in deze laboratorium
experimenten zijn anders dan die in het menselijk lichaam. Daarom werden schijfjes van de
biomaterialen met een verschillende oppervlakte lading en met de twee soorten staafvormige
bacteriën uit hoofdstuk 4 op het biomateriaal oppervlak geïmplanteerd in ratten (Hoofdstuk
5). Met één bacteriesoort (E. coli) bleken na twee dagen op alle negatief geladen biomateriaal
schijfjes levende bacteriën te zitten, terwijl deze maar op de helft van de positief geladen
biomateriaal schijfjes zaten. De andere bacteriesoort (P. aeruginosa) werd echter wel op alle
116
Samenvatting
biomateriaal schijfjes teruggevonden. Dit komt waarschijnlijk omdat deze bacterie veel meer
slijm kan aanmaken dan de eerste soort (E. coli). Onder deze omstandigheden kan de P.
aeruginosa bacterie misschien een slijmlaag tussen zichzelf en het geladen biomateriaal
oppervlak maken, waardoor hij geen last meer heeft van de aantrekkende kracht van het
positief geladen biomateriaal oppervlak. Deze biomaterialen met positieve oppervlakte lading
lijken dus in het lichaam biomateriaal-gerelateerde infecties te kunnen voorkomen, maar
slechts voor een beperkt aantal bacterie soorten.
Voordat de biomateriaal schijfjes werden geïmplanteerd bleek verder, dat op de
positief geladen schijfjes evenveel levende bacteriën zaten als op de negatief geladen
materialen, terwijl aan het eerste materiaal twee keer zoveel bacteriën hechtten. Blijkbaar was
ongeveer de helft van de gehechte bacteriën dood op het positief geladen materiaal. Dit komt
waarschijnlijk omdat de positieve lading van het oppervlak wordt veroorzaakt door positief
geladen stikstof atomen die in het materiaal ingebouwd zitten. In water oplosbare stoffen met
positief geladen stikstof atomen zijn bacteriedodend, omdat ze gaten kunnen maken in het
celmembraan, de ‘huid’, van de bacteriën, en worden gebruikt in desinfectie middelen. Uit
ons onderzoek blijkt dat ook biomaterialen met gebonden positief geladen stikstof atomen
bacteriedodend kunnen zijn voor gehechte bacteriën, waarschijnlijk omdat deze op dezelfde
manier ‘lek geprikt’ worden.
Het ontstaan van biomateriaal-gerelateerde infecties is niet geheel bekend. Het zou
kunnen dat bacteriën al tijdens de operatie aan het implantaat hechten. Implantaten zouden
echter ook geïnfecteerd kunnen worden in een veel later stadium, door bacteriën die in de
bloed terechtgekomen zijn. Bacteriën kunnen onder andere in de bloedbaan terechtkomen
door geïnfecteerde wondjes, ingrepen van de tandarts of blaasontsteking. Ook kunnen
bacteriën die normaal gesproken in de darmen leven soms de darmwand passeren naar de
bloedbaan. In Hoofdstuk 6 werd in gezonde ratten onderzocht of biomateriaal schijfjes 4
weken na implantatie door bacteriën in de bloedbaan geïnfecteerd kunnen worden. Hiervoor
werden óf bacteriën in de bloedbaan van de ratten geïnjecteerd, óf werd het passeren van de
darmwand door darmbacteriën van de ratten gestimuleerd. Het bleek dat de biomateriaal
schijfjes niet via het bloed geïnfecteerd konden worden. Echter, 5% van de geïmplanteerde
schijfjes werd geïnfecteerd door onbekende bacteriën die waarschijnlijk tijdens de implantatie
op het materiaal waren gekomen. Waarschijnlijk is ook bij mensen met een gezond afweer
systeem de kans klein, dat implantaten in een later stadium na implantatie alsnog door
bacteriën in de bloedbaan worden geïnfecteerd.
117
Samenvatting
Nu dat we wisten, dat ook gebonden positieve lading bacteriën ‘lek’ kan prikken,
hebben we positief geladen stikstof atomen met een lange moleculaire staart, een soort
prikker, gebruikt, in de hoop dat dit lek prikken beter gaat. Deze positief geladen stikstof
atomen hebben we chemisch gebonden aan siliconen rubber, een veel gebruikt biomateriaal
(Hoofdstuk 7). Vervolgens hebben we onze vier soorten bacteriën anderhalf uur gehecht aan
de materialen en daarna gekeken of ze levend waren. Het bleek dat vrijwel alle bolvormige
bacteriën (S. aureus en S. epidermidis) niet meer in leven waren op het behandelde siliconen
rubber, terwijl de meeste gehechte bacteriën op onbehandeld siliconen rubber wel leefden.
Ook veel (ca. 75%) van de gehechte staafvormige bacteriën (P. aeruginosa en E. coli) waren
niet meer in leven op het behandelde siliconen rubber, terwijl dit niet het geval was op het
onbehandelde siliconen rubber. De effectiviteit van de bacterie dodende laag werd ook hier
getest door implantatie van behandelde en onbehandelde schijfjes siliconen rubber in ratten
met één van de bacteriën (S. aureus) erop gebracht. Wanneer de bacteriën voor implantatie
werden gehecht aan de materialen werden na 3 en 7 dagen nagenoeg geen levende bacteriën
gevonden op de behandelde siliconen rubber schijfjes, terwijl deze wel aanwezig waren op
vrijwel alle onbehandelde siliconen rubber schijfjes. Wanneer de bacteriën na de implantatie
in de buurt van de schijfjes werden geïnjecteerd werden ook op de meeste behandelde
siliconen rubber schijfjes levende bacteriën terug gevonden, maar veel minder dan op de
onbehandelde materialen.
We kunnen uit het onderzoek concluderen dat het positief maken van het biomateriaal
oppervlak met positief geladen stikstof atomen met een lange moleculaire staart biomateriaalgerelateerde infecties kan voorkomen. De oppervlakte groei van de onderzochte bolvormige
bacteriën wordt hierop effectief voorkomen door het doden van deze bacteriën. Ook een
gedeelte van de onderzochte staafvormige bacteriën wordt op zo’n oppervlak gedood, en de
overlevende bacteriën kunnen moeilijk groeien op het positief geladen oppervlak door de
sterke aantrekkingskracht ervan. Deze positief geladen stikstof atomen kunnen in de toekomst
chemisch worden gebonden aan biomedische implantaten en hulpmiddelen, zoals
bijvoorbeeld heup protheses, kunst hartkleppen of urineweg katheters, waardoor infecties, en
de daarmee gepaard gaande ernstige problemen voor de patiënt, voorkomen kunnen worden.
118