Middenoorontstekingen, ook wel otitis media genoemd, treffen meer dan 80% van de kinderen in de VS. In een nieuwe studie hebben onderzoekers een geminiaturiseerd 3D-geprint apparaat ontworpen om Pseudomonas aeruginosa, een veel voorkomende bacterie die de infectie veroorzaakt, te inactiveren.

Het apparaat - een microplasma jet-array - genereert plasma, dat is samengesteld uit geladen deeltjes en reactieve moleculen waarvan eerder is aangetoond dat ze verschillende pathogenen inactiveren. "Dit is de eerste keer dat iemand heeft geprobeerd middenoorontstekingen te behandelen met behulp van plasmatechnologie", zegt Jungeun Won, een afgestudeerde student in het Boppart-lab. "Meestal omvat de behandeling het gebruik van antibiotica of chirurgische ingrepen."

Het probleem met het gebruik van antibiotica is tweeledig. Ten eerste zijn antibiotica niet effectief bij meer dan 30% van de patiënten met acute infecties. Ten tweede kan het gebruik ervan leiden tot verhoogde antibioticaresistentie omdat de bacteriën biofilms vormen – aggregaten die zich hechten aan het oppervlak van het oor.

"Biofilms zijn erg dicht, waardoor het moeilijk is voor de antibiotica om binnen te dringen", zegt Helen Nguyen (IGOH), een Ivan Racheff-hoogleraar in civiele en milieutechniek. "Ons idee was dat als we de structuur van de biofilm zouden kunnen verstoren, we de penetratie van de antibiotica zouden kunnen vergroten."

De onderzoekers testten de microplasma jet-array door een model van het middenoor te bouwen. Ze gebruikten een uitgesneden rattentrommelvlies en testten de antimicrobiële effecten van het microplasma op de bacteriën die zich achter het trommelvlies bevonden.

"We gebruikten verschillende duurtijden voor de behandeling en ontdekten dat 15 minuten en langer effectief was in het inactiveren van de bacteriën," zei Won. "We hebben ook het weefsel gecontroleerd om te zien of we gaten of breuken hadden gemaakt, maar we vonden geen duidelijke fysieke schade."

"We denken dat het microplasma de biofilm verstoort door het bacteriële celmembraan te verstoren," zei Nguyen. "Tot nu toe hebben we alleen indirecte metingen die ons idee ondersteunen, maar we zullen het in de toekomst onderzoeken."

Hoewel de dikte van het trommelvlies van de rat 30% lager is dan die van een mens, wat ongeveer de breedte van een haarstreng is, suggereren de resultaten dat de microplasmabehandeling kan worden gebruikt om middenoorontstekingen bij mensen te behandelen.

"Middenoorontstekingen en het overmatig voorschrijven van antibiotica om deze te behandelen zijn grote klinische uitdagingen die nieuwe behandelingstechnologieën en oplossingen nodig hebben", zegt Stephen Boppart, Grainger Distinguished Chair in Engineering, die ook arts is.

De onderzoekers ontwerpen nu een kleinere, oordopjesvormige jet-array voor behandelingen die langere belichtingstijden mogelijk maken. Ze zullen de apparaten ook testen op diermodellen met behulp van biofilms van de andere bacteriën die middenoorontstekingen veroorzaken, waaronder, maar niet beperkt tot, Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae en Moraxella catarrhalis, om te testen of de behandeling ook effectief is bij deze bacteriën. Bovendien zullen de onderzoekers de weefsels van het middenoor nauwlettend volgen om ervoor te zorgen dat er geen structurele en functionele weefselschade is door de plasmatechnologie.

###

De studie werd uitgevoerd in samenwerking met de laboratoria van J. Gary Eden, Intel Alumni Endowed Chair Emeritus in Electrical and Computer Engineering, en Stephen Boppart, een Grainger Distinguished Chair in Engineering, met benoemingen in de afdelingen Electrical and Computer Engineering, en Bio-engineering.

De studie "Inactivation and sensitization of Pseudomonas aeruginosa by microplasma jet array for treatment otitis media" werd gepubliceerd in npj Biofilms en microbiomen en is te vinden op 10.1038/s41522-021-00219-2. Het werk werd gefinancierd door de National Science Foundation, het US Air Force Office of Scientific Research en de National Institutes of Health.