Nanocząstki zwalczają bakterie oporne na antybiotyki
Nanocząstki stworzone w laboratoriach Politechniki Federalnej w Zurichu i instytutu badawczego Empa są w stanie wykryć i zabić bakterię ukrywającą się w naszych komórkach. Celem badań jest opracowanie takiego środka antybakteryjnego, który jest skuteczny tam, gdzie zawodzą antybiotyki i inne konwencjonalne metody.
W wojnie „ludzkość kontra bakterie” widać ostatnio stopniowy wzrost przewagi bakterii. Nasza rewolucyjna broń – antybiotyki – coraz częściej zawodzi. Drobnoustroje w procesie dostosowania wykształcają coraz więcej narzędzi obronnych, które sprawiają, że terapia antybiotykowa jest bezskuteczna. Niektóre z nich nauczyły się nawet ukrywać wewnątrz ludzkich komórek, gdzie pozostają niewidoczne dla naszego układu odpornościowego. Pewne patogeny są szczególnie przerażające, jak na przykład wielooporne gronkowce (MRSA, MRSE), które ewoluowały i przetrwały w środowisku szpitalnym, a mogą powodować choroby zagrażające życiu, takie jak posocznica czy zapalenie płuc.
Żeby wytropić zarazki w ich kryjówce w ludzkiej komórce i tam je wyeliminować, zespół naukowców z dwóch szwajcarskich ośrodków badawczych światowej klasy – Politechniki Federalnej w Zurichu (ETH) i instytutu badawczego Empa – pracuje obecnie nad nanotechnologią, której działanie ma być zupełnie inne niż konwencjonalnych antybiotyków. Różnica jest widoczna przede wszystkim w zdolności dostania się do wnętrza komórki – antybiotyki mają z tym dużą trudność, podczas gdy stworzone w szwajcarskich laboratoriach nanocząstki potrafią z dużą precyzją penetrować komórkę, która tego wymaga. A kiedy już się tam dostaną, podejmują walkę z obecną tam niebezpieczną dla człowieka bakterią.
Zespół badaczy pracuje pod przewodnictwem profesor Inge Herrmann, kierowniczki Laboratorium Inżynierii Systemów Nanocząstek (Nanoparticle Systems Engineering Laboratory) i równocześnie badaczki w Empa*. Sednem tego przedsięwzięcia było połączenie dwóch materiałów w formie nanoczątek – tlenku ceru i bioszkła. Tlenek ceru jest znany jako materiał o właściwościach antybakteryjnych i przeciwzapalnych. Oprócz zastosowanego ceru także inne metale mają właściwości antybakteryjne, ale większość z nich, jak srebro, jest bardziej toksyczna dla człowieka niż cer. Natomiast tak zwane bioszkło, czyli bioaktywny materiał ceramiczny, jest bardzo sprawnym biodegradowalnym transporterem, którego zastosowanie było dotąd badane w terapiach osteoporozy – nanocząstki bioszkła przedostają się do kości, a tam rozkładają się i uwalniają odpowiedni materiał odbudowujący jej strukturę.
W opracowanej technologii oba typy materiałów zostały zsyntetyzowane jako jeden hybrydowy materiał. Tak opracowaną technologię badacze testowali w laboratorium, obserwując jej działanie przy użyciu mikroskopii elektronowej, sprawdzając jak pracuje w interakcji z ludzkimi komórkami i bakteriami. Kiedy badacze wprowadzili nanocząstki do komórki zainfekowanej przez bakterię, zaobserwowali stopniowe rozpuszczanie się drobnoustroju. Jednak, kiedy tylko zablokowano dostęp nanocząstek do komórki, efekt antybakteryjny zniknął. Konieczne jest więc dalsze badanie trwałości tego wynalazku.
Naukowcy nie wiedzą jeszcze dokładnie, w jaki sposób działają opracowane nanocząstki. Zakładają, że wpływają one na błonę komórkową bakterii, tworząc reaktywne formy tlenu, które powodują zniszczenie patogenu. Równocześnie powinny być bezpieczne dla nas, ponieważ błona komórkowa ludzkich komórek ma inną strukturę niż błona komórkowa bakterii.
Zdaniem badaczy w tak opracowanym procesie bakterie mają znacznie mniejszą szansę na wykształcenie oporności. To bardzo ważne, biorąc pod uwagę, że ma to być terapia zastępująca antybiotyki, na które pewne bakterie właśnie zyskały oporność.
Dalsze badania mają dotyczyć większej optymalizacji opracowanych nanoczątek. Naukowcy dokładnie przyjrzą się temu, w jaki sposób ich technologia wnika do komórek i będą pracowali nad jeszcze sprawniejszą strukturą i składem tych hybrydownych nanoczątek. Celem, do którego dążą szwajcarscy nanotechnolodzy jest przygotowanie prostego i bardzo skutecznego środka antybakteryjnego, który będzie skuteczny i bezpieczny w działaniu wewnątrz ludzkiej komórki.
*Empa to jednostka badawcza współtworzona przez ETH i EPFL, czyli Politechniki Federalnej w Lozannie. Te dwie najsilniejsze szwajcarskie i może też europejskie uczelnie techniczne utworzyły wspólnie instytut zajmujący stosowanymi naukami o materiałach i technologiami, w którego laboratoriach powstają teraz technologie przyszłości nie tylko dotyczące zastosowania nanotechnologii w medycynie, ale też na przykład nowatorskie metody uzdatniania wody czy udoskonalające działanie samochodów automatycznych.
Badania źródłowe:
Matter MT, Doppegieter M, Gogos A, Keevend K, Ren Q, Herrmann IK: Inorganic nanohybrids combat antibiotic-resistant bacteria within human macrophages. Nanoscale 2021, doi: 10.1039/d0nr08285f
Opracowano na podstawie artykułu Eliminating resistant bacteria with nanoparticles opublikowanego na stronie internetowej Politechniki Federalnej w Zurychu.
