Skru op for varmen på antibakterielt resistente sygdomme

Fototermisk terapi (PTT) er en foreslået behandling af sygdomme som antibakterielt resistente infektioner og kræft, men på trods af mere end ti års forskning, videnskabsmænd har ikke været i stand til at finde et sikkert og effektivt kemisk middel til at bruge i processen. Nu, et team af forskere har designet en ny type organisk forbindelse, der kan bruges som et effektivt terapeutisk middel.

For nylig offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie , et team af forskere ledet af forskere ved Molecular Foundry har vist, at deres nye materialer, en type konjugeret polyelektrolyt (CPE), kan forårsage en reduktion på 95 procent i antallet af bakteriekolonier inden for fem minutter under infrarød bestråling. Dette fund markerer et af de første eksempler på at bruge en CPE som et aktivt middel i PTT.

Organiske polymerer fremstilles ved at forbinde mange gentagne underenheder som perler på en snor. Hvis disse underenheder indeholder ioniske grupper, polymererne kaldes polyelektrolytter, og i de tilfælde, hvor underenhederne er fuldt forbundet med skiftende enkelt- og dobbeltbindinger, de kaldes konjugerede polyelektrolytter. Deres unikke egenskaber, som vandopløselighed, ledningsevne, og lysabsorption har ført til deres omfattende brug i optoelektronik, sansning, og billedbehandlingsapplikationer. Men CPE'er var ikke blevet anvendt som fototermiske terapeutiske midler før, fordi ioniske polymerer, der kan absorbere lys i det nære infrarøde (NIR) område, hvor det er mest ønskeligt for PTT, er meget sjældne.

Forskerholdet ledet af Yi Liu, facility director for Foundry's Organic and Macromolecular Nanostructures facility, arbejdede på en metode til at lave CPE'er til organiske elektrokemiske transistorer (OECT'er). De antog, at vedhæftning af de ioniske (eller ladede) grupper direkte til den konjugerede polymer-hovedkæde ville producere effektive OECT-aktive materialer, men opdagede, at deres materiale kunne have en anden anvendelse.

"Vi udviklede en måde at syntetisere en CPE fra ionisk azaquinodimethan (iAQM) byggesten, så den bærer ladninger og har en af ​​de lavest observerede båndgab for denne type polymer, " sagde Liu. "Vi havde oprindeligt ikke planer om at skabe et materiale, der var nyttigt til fototermisk terapi, men fandt ud af, at den ioniske polymer, vi lavede, også kraftigt absorberer nær-infrarødt lys."

Fototermisk terapi er afhængig af at bruge et aktivt kemisk middel, der absorberer lys og spreder energien som varme. Guld nanopartikler og carbon allotroper er mest omfattende blevet udforsket som de aktive midler i PTT, men begge lider af manglen på nogen kendt metabolisk nedbrydningsvej og kan være skadelige for kroppen over længere perioder. Organiske molekyler som CPE'er er et lovende alternativ, da de er mere tilbøjelige til at blive metaboliseret af kroppen efter deres terapeutiske brug.

"Tidligere CPE'er er sjældent blevet påvist at have høj fototermisk konverteringseffektivitet, " sagde Liu. "Vores nydesignede iAQM-motiv er iboende ionisk, og når det først er inkorporeret i polymer, det giver anledning til CPE'er med de rigtige absorptionsegenskaber til effektiv fototermisk konvertering. Ladningerne i CPE'er gør dem mere opløselige i polære opløsningsmidler og dermed mere biologisk relevante, da det kunne skræddersyes til at binde til specifikke proteiner eller celler."

Forskerne brugte røntgenstråler ved Berkeley Labs Advanced Light Source til at bestemme strukturen af ​​deres syntetiserede polymerer, giver dem mulighed for at forstå, hvordan molekylestrukturen påvirker polymerens ydeevne.

Forskerne testede også deres polymer på kulturer af Staphylococcus aureus, et modelsystem med relevans for antibiotika-resistente bakterieinfektioner, og fandt ud af, at kulturer behandlet med iAQM-polymeren, som derefter blev bestrålet med 808 nm lys, resulterede i en 95 procent reduktion i antallet af bakteriekolonier, sammenlignet med 30 procent behandlet med polymeren alene og 10 procent, når det kun er bestrålet.

Resultaterne viser, at forskernes metode til fremstilling af CPE'er er en lovende måde at lave funktionelle ioniske organiske halvledere med nyttige egenskaber, og at iAQM-baserede CPE'er især er potente fototermiske antibakterielle midler.