Nanoboty przeciwko bakteriom odpornym na antybiotyki?

Doktor Ana Santos ze wzruszeniem wspomina ważny okres w swoim życiu: śmierć dziadka i wujka kilka lat temu w związku z infekcją dróg moczowych oraz śmierć bliskiej osoby z powodu „zakażonej rany”.

Te śmierci głęboko nią wstrząsnęły. W czasach antybiotyków takie nieszczęścia nie powinny się zdarzać.

Wzrost i upadek antybiotyków

„Członkowie mojej rodziny umierali z powodu infekcji” – powiedziała pani Santos, mikrobiolog z Instytutu Badań nad Zdrowiem na Balearach (IdISBa) w Hiszpanii. „Zacząłem zdawać sobie sprawę, że cofamy się: nasze antybiotyki nie były już skuteczne”.

To problem globalny. Według czasopisma medycznego w 2019 r. prawie 5 milionów zgonów na całym świecie było powiązanych z drobnoustrojami opornymi na antybiotyki. Skalpel.

Największe szkody powoduje sześć rodzajów opornych bakterii. Według Światowej Organizacji Zdrowia, Choroby lekooporne Może to być bezpośrednią przyczyną śmierci 10 milionów ludzi do 2050 roku

Pani Santos postanowiła walczyć z tymi alarmującymi liczbami, kierując finansowanym przez UE projektem badawczym, którego celem było opracowanie mikroskopijnych maszyn zdolnych do zabijania opornych bakterii. pod tytulem powstanie przeciw władzyProjekt trwał 39 miesięcy i zakończył się w kwietniu 2023 roku.

„Odkryłam koncepcję maszyn molekularnych, które robią dziury w komórkach” – powiedziała pani Santos. „Musimy zacząć działać kreatywnie”.

W 1928 roku szkocki lekarz Alexander Fleming odkrył pierwszy prawdziwy antybiotyk, penicylinę, wytwarzaną przez specyficzny rodzaj pleśni. Później odkryto inne antybiotyki, często wytwarzane przez drobnoustroje glebowe, które uratowały życie milionów ludzi.

Jednak w obliczu wyścigu zbrojeń mikroorganizmy były w stanie wykształcić mechanizmy obronne umożliwiające przetrwanie antybiotyków.

Maszyny robiące dziury w bakteriach

W czasie, gdy dwójka jej krewnych i przyjaciółka straciły życie z powodu infekcji, Santos badała, w jaki sposób bakterie przeżywają i umierają w warunkach głodu. Potem zdecydowała się przekierować swoje poszukiwania.

„Czułam się bardzo sfrustrowana, ponieważ miałam pilny problem i nic z tym nie zrobiłam” – wyjaśniła. „Coraz więcej ludzi umiera z powodu infekcji opornych na antybiotyki”.

Zwróciła się do badaczy specjalizujących się w tej dziedzinie o pomoc i nawiązała współpracę z grupą hiszpańską w celu przeprowadzenia eksperymentów nad przenikaniem bakterii przez małe maszyny molekularne. Maszyny składają się z dwóch części chemicznie związanej cząsteczki. Pod wpływem światła górna część zaczyna się szybko obracać niczym wiertło.

Antybiotyki często przyłączają się do określonego białka bakteryjnego, podobnie jak klucz pasuje do zamka. Problem: Bakterie mogą ulec zmianie fizycznej, w wyniku której klucz nie będzie już pasował do zamka. Antybiotyki pozostają na zewnątrz.

Bakteriom znacznie trudniej jest uniknąć nanomaszyn.

W ramach projektu REBELLION pani Santos opracowała te maszyny do zabijania bakterii.

Maszyny zabijające superbakterie

Obie części tych maszyn mierzą mniej niż 100 nanometrów, czyli jedną tysięczną szerokości ludzkiego włosa. Ich wielkość jest niewielka w porównaniu do bakterii.

W swoim laboratorium pani Santos uruchomiła kilka milionów swoich nanomaszyn w grupach bakterii. Maszyny przyczepiły się do bakterii i po wystawieniu na działanie światła zaczęły je obracać i nakłuwać.

Przed mikroskopem pani Santos promieniała: komórki bakteryjne były pełne maleńkich dziurek.

Dalsze eksperymenty wykazały, że te maleńkie wiertła mogą zabić szereg szczepów, które normalnie zakażają ludzi.

Potem spróbowałem czegoś innego: mniej urządzeń przeciwko opornemu na metycylinę Staphylococcus aureus, czyli MRSA, osławionej i szczególnie śmiercionośnej superbakterii. Niższe stężenie maszyn zmniejszyłoby ryzyko uszkodzenia ludzkich komórek.

Narzędzia zrobiły tyle dziur w MRSA, że ponownie stał się on podatny na antybiotyki.

„Bakteriom bardzo trudno jest rozwinąć oporność na tę procedurę” – powiedział Santos. „To tak, jakbyśmy ich bombardowali”.

Maszyny leczące rany

Aby zastosować tę nową broń przeciwko opornym bakteriom, badacze będą musieli upewnić się, że nanomaszyny są bezpieczne dla pacjentów. Wiąże się to z nieomylnym celowaniem w bakterie, ale nie w komórki ludzkie.

Jednym z pierwszych powodów do optymizmu jest fakt, że nanomaszyny są naładowane dodatnio. Dlatego wolą wiązać się z ujemnie naładowanymi bakteriami niż z bardziej obojętnymi komórkami ludzkimi.

W eksperymentach pani Santos z robakami wykazano, że nanomaszyny po wstrzyknięciu nie wyrządziły szkody komórkom ludzkim. Pragnąc przybliżyć tę strategię pacjentom, przygotowuje się do kolejnego kroku: przeprowadzenia badań bezpieczeństwa na myszach.

Jeśli leczenie zakończy się sukcesem, w pierwszej kolejności leczeni będą pacjenci z zakażonymi ranami, zwłaszcza ofiary oparzeń, które są podatne na infekcję.

Nanomaszyny można umieścić na ich skórze, a następnie aktywować światłem, aby przedostać się przez bakterie infekujące ranę.

Najlepszy europejski zespół

Nanomaszyny regularnie znajdują się w centrum uwagi.

Profesor Ben Feringa z Uniwersytetu w Groningen w Holandii zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2016 r. za swoje nanomaszyny z silnikami molekularnymi, które można aktywować światłem ultrafioletowym.

Cząsteczki zmieniają kształt pod wpływem światła. Mogą zatem działać jako przełączniki lub elementy wykonawcze. Pan Feringa nawet zbudował nanosamochód Składa się z pojedynczej cząsteczki, która może poruszać się po powierzchni miedzi.

Pomaga nadzorować finansowany przez UE projekt badawczy mający na celu szkolenie młodych naukowców w zakresie maszyn molekularnych. pod tytulem BiomolmaxProjekt trwa cztery i pół roku i kończy się w czerwcu 2024 r.

Chociaż nanomaszyny nie są jeszcze dostępne w szpitalach, mogą potencjalnie leczyć pacjentów chorych na raka w sposób ekscytujący naukowców i lekarzy. Obecne leki przeciwnowotworowe często powodują skutki uboczne, takie jak wypadanie włosów, nudności, zmęczenie lub osłabienie odporności. Dzieje się tak dlatego, że leki mogą uszkadzać zdrowe komórki.

Możemy sobie wyobrazić, że pewnego dnia nanomaszyny będą w stanie dostarczać leki zabijające komórki, precyzyjnie celując w nowotwory pacjentów, a być może nawet trafiając do dowolnego nowotworu.

Maria Vicente, profesor Fundacji Badań Biomedycznych w Walencji w Hiszpanii, nadzoruje projekt BIOMOLMACS, którego celem jest projektowanie małych nośników dostarczających leki do komórek raka piersi.

Projekt nadzoruje także Jan van Heest z Politechniki w Eindhoven w Holandii. Pracuje nad opracowaniem materiałów, które można wykorzystać do transportu szczepionek czy nanomedyków do komórek, zwłaszcza nowotworowych.

Panowie Van Heest, pani Vicente i pan Feringa mogą liczyć na pomoc innych czołowych badaczy z innych krajów europejskich, którzy wnoszą swoją wiedzę.

Profesor Ramsay Besser z Uniwersytetu w Warwick w Wielkiej Brytanii produkuje nanocząsteczki polimerowe, które będą dostarczać przyszłe terapie genowe do określonych miejsc w ciałach pacjentów. Cząsteczki są często cukrami powlekanymi, ponieważ mają zdolność działania jako klucz do odblokowania komórek w organizmie.

„Te syntetyczne cukry mogą wchodzić w interakcję z błonami komórkowymi i zapewniać cząsteczce klucz umożliwiający otwarcie drzwi i wprowadzenie genu do komórki” – wyjaśnił Becker, który nadzoruje dwóch młodych naukowców i koordynuje cały projekt z 15 doktorantami.

Również w Wielkiej Brytanii profesor Robin Shattock z Imperial College London pracuje nad nanocząsteczkami lipidowymi, czyli małymi kuleczkami wykonanymi z tłuszczu, które mogą bezpiecznie przedostać się do komórek. Nanocząsteczki lipidów stanowią postęp, który umożliwił opracowanie szczepionek przeciwko Covid-19.

Nowe talenty

Studenci tych pionierskich europejskich badaczy mogą być kolejną falą badaczy medycznych.

„Następną dużą zmianą dla przemysłu farmaceutycznego będzie wyszkolenie naszych genów, aby zapobiegały rakowi lub go zwalczały” – powiedział Baker.

Według niego projekt BIOMOLMACS może przygotować naukowców do kariery w niektórych firmach opracowujących nanomaszyny, które będą wykorzystywane do podawania takich zabiegów biologicznych w określonych narządach.

Tymczasem Santos ma nadzieję, że dzięki projektowi REBELLION jej praca zmieni sytuację pacjentów chorych na raka, którzy w wyniku leczenia są bardziej podatni na infekcje bakteryjne.

„Moja przyjaciółka pokonała raka, ale potem zmarła z powodu infekcji” – powiedziała. „Do dziś pamiętam, jak lekarz powiedział, że bakterie są odporne na wszystko i że nic nie można zrobić”.

Jego celem jest, aby lekarze nigdy więcej nie musieli wypowiadać tych słów.

Badania przedstawione w tym artykule zostały sfinansowane przez Unię Europejską w ramach Akcji Maria Skłodowska-Curie (MSCA). Opinie rozmówców niekoniecznie pokrywają się z opinią Komisji Europejskiej.

Więcej informacji

Artykuł ten został pierwotnie opublikowany naHoryzontczasopismo Unii Europejskiej poświęcone badaniom i innowacjom.