Mellomøreinfeksjoner, også kjent som mellomørebetennelse, rammer mer enn 80 % av barna i USA. I en ny studie har forskere designet en miniatyrisert 3D-printet enhet for å inaktivere Pseudomonas aeruginosa, en vanlig bakterie som forårsaker infeksjonen.

Enheten – en mikroplasmajet-array – genererer plasma, som er sammensatt av ladede partikler og reaktive molekyler som tidligere har vist seg å inaktivere forskjellige patogener. "Dette er første gang noen har prøvd å behandle mellomøreinfeksjoner ved hjelp av plasmateknologi," sa Jungeun Won, en doktorgradsstudent ved Boppart-laboratoriet. "Vanligvis involverer behandlingen bruk av antibiotika eller kirurgisk inngrep."

Problemet med å bruke antibiotika er todelt. For det første er antibiotika ineffektive hos mer enn 30 % av pasientene med akutte infeksjoner. For det andre kan bruken av dem føre til økt antibiotikaresistens fordi bakteriene danner biofilmer - aggregater som fester seg til overflaten av øret.

"Biofilmer er veldig tette, noe som gjør det vanskelig for antibiotika å trenge gjennom," sa Helen Nguyen (IGOH), en Ivan Racheff-professor i sivil- og miljøteknikk. "Vår idé var at hvis vi kunne forstyrre strukturen til biofilmen, kunne vi øke penetrasjonen av antibiotika."

Forskerne testet mikroplasmajet-arrayen ved å bygge en modell av mellomøret. De brukte en utskåret rotte trommehinne og testet de antimikrobielle effektene av mikroplasmaet på bakteriene som var plassert bak trommehinnen.

"Vi brukte forskjellige varighetstider for behandlingen og fant ut at 15 minutter og lenger var effektiv for å inaktivere bakteriene," sa Won. "Vi overvåket også vevet for å se om vi hadde laget noen hull eller brudd, men vi fant ingen åpenbar fysisk skade."

"Vi tror at mikroplasmaet forstyrrer biofilmen ved å forstyrre bakteriecellemembranen," sa Nguyen. "Så langt har vi bare indirekte målinger som støtter ideen vår, men vi vil se nærmere på det i fremtiden."

Selv om tykkelsen på trommehinnen hos rotter er 30 % lavere enn hos et menneske, som er omtrent på bredden av en hårstrå, tyder resultatene på at mikroplasmabehandlingen kan brukes til å behandle mellomøreinfeksjoner hos mennesker.

"Mellomøreinfeksjoner og overforskrivning av antibiotika for å behandle disse er store kliniske utfordringer som trenger nye behandlingsteknologier og løsninger," sa Stephen Boppart, Grainger Distinguished Chair in Engineering, som også er lege.

Forskerne designer nå en mindre, ørepluggformet jet-array for behandlinger som vil tillate lengre eksponeringstider. De vil også teste enhetene på dyremodeller ved å bruke biofilmer av de andre bakteriene som forårsaker mellomøreinfeksjoner, inkludert, men ikke begrenset til, Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae og Moraxella catarrhalis, for å teste om behandlingen også er effektiv med disse bakteriene. I tillegg vil forskerne overvåke vevet i mellomøret nøye for å sikre at det ikke er noen strukturell og funksjonell vevsskade fra plasmateknologien.

# # #

Studien ble utført i samarbeid med laboratoriene til J. Gary Eden, Intel Alumni Endowed Chair Emeritus in Electrical and Computer Engineering, og Stephen Boppart, en Grainger Distinguished Chair in Engineering, med ansettelser i Departments of Electrical and Computer Engineering, og Bioteknikk.

Studien "Inaktivering og sensibilisering av Pseudomonas aeruginosa med mikroplasma jet array for treating otitis media" ble publisert i npj Biofilmer og mikrobiomer og kan bli funnet på 10.1038/s41522-021-00219-2. Arbeidet ble finansiert av National Science Foundation, US Air Force Office of Scientific Research og National Institutes of Health.