Sådan fungerer Ninja -partikler

Ninja var snigende krigere i japansk historie, der ofte blev anklaget for at infiltrere og myrde fjender. Ninja -partikler gør stort set det samme:angreb og dræb.

Oprettet og navngivet af forskere fra IBM og Singapores Institute of Bioengineering and Nanotechnology, disse minimale angribere kan løse to spørgsmål, der plager moderne medicin:antibiotikaresistente bakterier og biofilm. På den første front, halvdelen af ​​de indlagte patienter i USA lider af hospitalserhvervet infektion med lægemiddelresistente bakterier, ifølge nogle skøn, og infektionerne fra disse bakterier bliver stadig sværere at behandle [kilde:Liu]. Superbugs, som infektionsfremkaldende methicillinresistent Staphylococcus aureus og Escherichia coli , har udviklet en resistens over for traditionelle antibiotika. Som resultat, forskere og læger bliver tvunget til at søge alternative behandlingsmuligheder for at dræbe disse bakterier. Sekund, biofilmene, der dannes på overflader af medicinsk udstyr, udgør også et stort problem. Da disse bakterierige gunky stoffer dækker katetre og andre medicinske implantater, enhederne bliver et redskab til at transportere bakterier ind i kroppen.

Indtast ninja -partiklen. I klassisk ninja -stil, disse små partikler (1, 000 gange mindre end et sandkorn!) Kan en dag være i stand til at infiltrere kroppen, jagt den krænkende bakterie og dræb den på en måde, der lader mikroben se ud som om den er blevet angrebet med en ninja -stjerne. Ligesom dens navnebror, denne partikel er god til sit arbejde. Den nuller ind på sit mål og formår at efterlade andre celler uskadte. Partiklerne er lige så dygtige til at udslette biofilm, der dannes på overflader, får disse små ninjaer til at regne med.

Fortsæt med at læse for at lære mere om, hvordan disse partikler kæmpede sig ind i laboratoriet, og hvad de kan gøre for os.

1. Hvad skal der til for at være en ninja -partikel
2. Ninja -partikler målretter og ødelægger
3. Fordele ved at bruge Ninja -partikler til behandling af infektioner
4. Målrettede applikationer af Ninja Partikler

Hvad skal der til for at være en ninja -partikel

Da forsker Yi Yan Yang hørte om det arbejde, kemikeren Jim Hedrick lavede på IBM om mikroelektronik, hun henvendte sig straks til ham om et samarbejde, fortæller ham, at hans forskningsfremskridt kunne bruges bedre i medicin. Siden da, deres partnerskab har resulteret i udviklingen af ​​en meget lovende gruppe af nanopartikler kaldet "ninja -partikler".

Det menneskelige immunsystem inspirerede deres skabelse. Når en person bliver syg, hans eller hendes krop udskiller antimikrobielle peptider . Disse bakteriebekæmpende molekyler opsøger en mikrobe, lås på den og dræb den (den sidste del kan ske på et par forskellige måder). Hedrick og Yang satte sig for at lave en partikel i laboratoriet, der ville gøre det samme.

Nanopartiklen, de skabte, er lavet af en særlig type polymer. Polymerer er super lange, lænkede molekyler. Plast, for eksempel, er alle polymerer. Polymer -nanopartiklen, som Hedrick og Yang udviklede, har tre dele, der gør den så dygtig til at dræbe bakterier.

1. Kæderne har et dopaminmolekyle hængende af sig. Jep, vi taler om den samme dopamin, der hjælper med at kontrollere hjernens belønnings- og nydelsescentre. Her, det tjener et rent funktionelt formål med at hjælpe med at fastgøre polymer nanopartiklen til sit mål.
2. De lange kæder indeholder også en kort kæde af en anden type polymer, polyethylenglycol (eller PEG). PEG har mange industrielle og medicinske anvendelser. I dette tilfælde, det virker til at bekæmpe organismenes vækst på overflader, som en forebyggende foranstaltning til bekæmpelse af bakterier.
3. Endelig, nanopartiklerne indeholder en positivt ladet portion, der har antibakterielle egenskaber. Denne del hjælper med at målrette mod de negativt ladede bakterier i kroppen og dræbe dem, når de er fundet.

Med disse tre dele, ninja-partikler har vist sig at være effektive til at dræbe methicillinresistente Staphylococcus aureus (MRSA), E coli og visse svampetyper [kilde:Yang]. Ud over, nanopartiklerne kan bruges til at belægge medicinsk udstyr som katetre, der er berygtet for at dyrke bakterieforstyrrede biofilm. Belægningen forhindrer dannelse af bakterier på overfladerne, reducere risikoen for infektioner hos patienter med disse implanterede enheder.

Ninja -partikler målretter og ødelægger

Så ninja -partikler er specielt designet til at målrette mod bakterier og dræbe dem, men hvordan? Det første trin er at finde de krænkende bakterieceller i et hav af pattedyrsceller. Det er her, det centrale princip om "modsætninger tiltrækker" tager fat. Overfladen af ​​bakterieceller er mere negativt ladet end pattedyrcellernes overflade. For specifikt at blive tiltrukket af bakteriecellerne, ninja -partiklerne skal have den modsatte ladning - positiv. De får denne positive ladning på deres overflade gennem en proces kaldet selvsamling . Hver partikel består af mange, mange mindre polymere. Disse polymerer klumper sig sammen, eller samler sig selv, for at danne små kugler kaldet miceller . På grund af attraktive interaktioner mellem forskellige dele af polymerkæden, disse miceller dannes naturligt i vand med kuglens yderside belagt i en positiv ladning. Og voila - bolden med positiv ladning er naturligt tiltrukket af den negativt ladede mikrobe.

En gang der, ninja -partiklen fastgør sig til bakteriecellen. De positivt ladede dele af partiklen, der hjalp selektivt med at finde bakteriecellerne, fungerer også som antibakterielle midler, stikke huller ind i cellevæggen. Denne proces, hedder membranlysis , ødelægger cellens struktur, får tarmene i cellen til at begynde at sive ud, uden håb om bedring. Det her, faktisk, er det, hvor forskerne fandt på navnet "ninja" for deres partikler. Drabsmetoden til at perforere cellevæggen med huller ligner det, der kan ske, hvis cellen blev angrebet med en ninja -stjerne.

En af de bedste dele af denne proces er, at bakterier aldrig får chancen for at udvikle resistens. Antibiotika virker ved selektivt at lamme visse dele af cellens mekanisme, holde de fleste af de strukturelle træk intakte. Ninja -partikelmetoden, i modsætning, er meget fysisk skadelig for cellen, og bakterierne har ikke mulighed for potentielt at udvikle en resistens over for ninja -partiklerne [kilde:Nederberg et al].

Ninja-partiklernes levetid kan finjusteres, så de er i stand til at dræbe bakteriecellerne, før de dræbes af sig selv. Til sidst, imidlertid, enzymer i kroppen begynder at nedbryde partiklerne, og de falder fra hinanden, med de resulterende mindre bits udskilt af kroppen [kilde:Hedrick].

Fordele ved at bruge Ninja -partikler til behandling af infektioner

Med skridtet mod en post-antibiotisk verden, forskere har presset på for at finde alternative behandlinger for infektion, der ikke involverer antibiotika. Der er sket fremskridt med vira kaldet bakteriofager , som kaprer bakteriernes indre maskineri og får det til at briste som en ballon. Andet arbejde er blevet udført med bakterier fremstillede toksiner ( bakteriociner ) for at dræbe infektionsfremkaldende bakterier. De fremskridt, der nærmest vedrører ninja -partikler, er terapier, der involverer kationisk eller antimikrobielle peptider . Disse molekyler kan også selektivt målrette mod bakterier på grund af modsat tiltrækning af ladninger på deres overflader. Deres metode til at dræbe bakteriecellerne er forankret i afbrydelse af kommunikationen mellem celler [kilde:Borel]. Denne terapi, imidlertid, har været plaget med flere spørgsmål:toksicitet for sunde, ikke -bakterielle celler (f.eks. pattedyrsceller kan briste og frigive deres indhold); kort halveringstid in vivo (de holder ikke særlig længe i kroppen) og høje fremstillingsomkostninger [kilde:Nederberg et al].

Ninja -partikler løser mange af disse problemer. De er kompatible med blod, have minimal eller ingen toksicitet for røde blodlegemer; er stabile nok til at forblive effektive in vivo; nedbrydes let og er størrelsesordener billigere at lave. Ninja -partikler er ikke de eneste bakterier, der bekæmper partikler derude. Forskere over hele verden har gjort lignende fremskridt med at udvikle andre små molekyler med antimikrobielle egenskaber eller skabe nanopartikelbaserede tilgange til levering af lægemidler [kilder:Zhu og Gao]. Disse partikler slutter sig til et voksende fællesskab af nanopartikelbaserede terapier. Nanopartikler bruges i medicinske anvendelser såsom medicinsk billeddannelse (som MR) og til behandling af en lang række sygdomme som kræft og AIDS.

Målrettede applikationer af Ninja Partikler

Ninja -partikler har potentiale til at få stor indflydelse på vores liv. Deres demonstrerede evne til at opsøge og dræbe antibiotikaresistente bakterier betyder, at vi en dag kan se dem i form af et injicerbart lægemiddel. Forskere fortsætter med at indsamle data om effekt og toksicitet (eller mangel på toksicitet, faktisk) af disse partikler. Når de har gennemført deres test, farmaceutiske virksomheder kan træde til for at lave menneskelige forsøg, der overvåger, hvordan disse partikler bekæmper bakterielle infektioner inde i kroppen.

Uden for kroppen, vi kan begynde at se ninja -partikler brugt som et desinfektionsmiddel og stoppe biofilmdannelse. Bakterierne, der udgør biofilm, er meget gode til at beskytte sig selv. Mange spray på markedet har svært ved at bryde igennem en biofilms beskyttende lag for at desinficere overflader. Ninja partikler, på den anden side, er i stand til at udrydde bakterier i disse biofilm ved kontakt, giver en fantastisk måde at rengøre medicinsk udstyr på, eller endda madlavningsoverflader.

Disse nanopartikler finder muligvis vej til vores produkter til personlig pleje, også, stort set ethvert sted, hvor vi ikke ønsker bakteriel opbygning. De kan bruges til at belægge kontaktlinser eller placeres som tilsætningsstoffer i ting som mundskyl, deodoranter og rengøringsmidler. De kan endda bruges i vandrensningssystemer. Dårlige bakterier er overalt, og disse ninja -partikler er klar til at finde og ødelægge dem.

Masser mere information

Forfatterens note:Sådan fungerer Ninja -partikler

Det er bedst, når noget, der har et køligt navn, virkelig lever op til sit navn. Og ninja -partikler er omtrent lige så fantastiske som deres navn antyder. Da jeg skrev denne artikel, Jeg elskede at forestille mig, at disse partikler stealthily lynede gennem kroppen, finde de dårlige bakterier fyre og skære dem op. Denne forskning er så lovende; Jeg kan ikke vente med at finde disse partikler på markedet. Den eneste del, der gør mig ked af det, er, at når de en dag gør det til vores produkter til personlig pleje eller i vores medicin, at jeg ikke vil være i stand til at rulle gennem ingredienserne og se "ninja -partikler" opført. Desværre, Jeg tror, ​​at FDA og andre regulerende organisationer kan kræve deres egentlige kemiske navne. Det var ærgerligt.

relaterede artikler

• 5 virkeligheder i en post-antibiotisk verden
• MRSA 101
• 10 Almindelige hospitalserhvervede infektioner
• Hvad ser partikelfysikere, når der sker kollisioner?
• Sådan fungerer biofilm

Kilder

• Borel, Brooke. "Antibiotikas alder er forbi." Populær videnskab. 7. juli kl. 2014. (5. december, 2014) http://www.popsci.com/article/science/age-antibiotics-over
• Engler, Amanda C .; Tan, Jeremy P.K .; Ong, Zhan Yuan; Coady, Daniel J .; Ng, Victor W.L .; Yang, Yi Yan; Hedrick, James L. "Antimikrobielle polycarbonater:Undersøgelse af virkningen af ​​balancering af ladning og hydrofobicitet ved hjælp af en samme centreret polymermetode." Biomakromolekyler. Vol. 14. s. 4331-4339. 2013.
• Engler, Amanda C .; Wiradharma, Nikken; Ong, Zhan Yuin; Coady, Daniel J .; Hedrick, James; Yang, Yi Yan. "Nye tendenser i makromolekylære antimikrobielle midler til bekæmpelse af multilægemiddelresistente infektioner." Nano i dag. Vol. 7. s. 201-222. 2012.
• Fukushima, Kazuki; Tan, Jeremy P.K .; Korevaar, Peter A .; Yang, Yi Yan; Pitera, Jed; Nelson, Alshakim; Maune, Hareem; Coady, Daniel J .; Frommer, Jane E .; Engler, Amanda C .; Huang, Yuan; Xu, Kaijin; Ji, Zhongkang; Qiao, Yuan; Ventilator, Weimin; Li, Lanjuan; Wiradharma, Nikken; Meijer, E.W .; Hedrick, James L. "Bredspektrum antimikrobielle supramolekylære forsamlinger med karakteristisk størrelse og form." ACS Nano. Vol. 6. s. 9191-9199. 2012.
• Gao, Weiwei; Thamphiwatana, Soracha; Angsantikul, Pavimol; Zhang, Liangfang. "Nanopartikel tilgange mod bakterielle infektioner." Wiley Interdisciplinary Reviews - Nanomedicine and Nanobiotechnology. Vol. 6. s. 532-547. 2014.
• Hastings, Patty. "IBM opdager 'ninja -partikler' for at ødelægge MRSA." Medill Reports - Chicago, Nordvestlige universitet. 20. april kl. 2011. (21. november, 2014) http://news.medill.northwestern.edu/chicago/news.aspx?id=185145
• Hedrick, James. Forsker, IBM. Personligt interview. 2. december kl. 2014.
• IBM. "Ninja -polymerer." 8. december kl. 2013. (5. december, 2014) http://www.research.ibm.com/articles/nanomedicine.shtml#fbid=3zMVTpAmoST
• Kane, Jason. "FRONTLINE spørger:Er alderen på antibiotika ophørt?" PBS Newshour. 22. oktober kl. 2013. (21. november, 2014) http://www.pbs.org/newshour/rundown/frontline-asks-has-the-age-of-antibiotics-come-to-an-end/
• Liu, Shao Qiong; Yang, Chuan; Huang, Yuan; Ding, Xin; Li, Yan; Ventilator, Wei Min; Hedrick, James L .; Yang, Yi Yan. "Antimikrobielle og antifouling -hydrogeler dannet i situ fra polycarbonat og poly (ethylenglycol) via Michael Addition." Avancerede materialer. Vol. 24. s. 6484-6489. 2012.
• Millstone, Jill. Lektor i kemi, University of Pittsburgh. Personligt interview. 2. december kl. 2014.
• Murthy, Shashi K. "Nanopartikler i moderne medicin:State of the art og fremtidige udfordringer." International Journal of Nanomedicine. Vol. 2. s. 129-141. 2007.
• Nederberg, Fredrik; Zhang, Ying; Tan, Jeremy P. K .; Xu, Kaijin; Wang, Huaying; Yang, Chuan; Gao, Shujun; Guo, Xin Dong; Fukushima, Kazuki; Li, Lanjuan; Hedrick, James; Yang, Yi Yan. "Bionedbrydelige nanostrukturer med selektiv lysering af mikrobielle membraner." Naturkemi. Vol. 3. s. 409-414. 2011.
• Ng, Victor W.L .; Tan, Jeremy P.K .; Leong, Jiayu; Voo, Zhi Xiang; Hedrick, James L. Yang, Yi Yan. "Antimikrobielle polycarbonater:Undersøgelse af virkningen af ​​nitrogenholdige heterocyklusser som kvaterniseringsmidler." Makromolekyler. Vol. 47. s. 1285-1291. 2014.
• Qiao, Yuan; Yang, Chuan; Coady, Daniel J .; Ong, Zhan Yuin; Hedrick, James; Yang, Yi Yan. "Meget dynamisk bionedbrydelige miceller, der er i stand til at lysere Gram-positiv og Gram-negativ bakteriemembran." Biomaterialer. Vol. 33. s. 1146-1153. 2012.
• Salaita, Khalid. Lektor i kemi, Emory University. Personligt interview. 23. november kl. 2014.
• Volpe, Joseph. "IBM's 'Ninja Particles' kunne stoppe fremkomsten af ​​superbugs." Engadget. 11. september kl. 2014. (21. november, 2014) http://www.engadget.com/2014/09/11/ibm-ninja-particles-could-stop-superbugs/
• Yang, Chuan; Ding, Xin; Ono, Robert J .; Lee, Haeshin; Hsu, Li Yang; Tong, Yen Wah; Hedrick, James; Yang, Yi Yan. "Børstelignende polycarbonater indeholdende dopamin, Kationer, og PEG giver et bredt spektrum, Antibakteriel, og Antifouling Surface via One-Step Coating. "Advanced Materials. Vol. 26. s. 7346-7351. 2014.
• Zhu, Xi; Radovic-Moreno, Aleksandar F .; Wu, Juni; Langer, Robert; Shi, Jinjun. "Nanomedicin i håndteringen af ​​mikrobiel infektion - Oversigt og perspektiver." Nano i dag. Vol. 9. s. 478-498. 2014.