Konvertering af genbrugsplast til sygdomsbekæmpende nanofibre

Forskere fra IBM og Institute of Bioengineering and Nanotechnology har lavet et nanomedicinsk gennembrud, hvor de omdannede almindelige plastmaterialer som polyethylenterephthalat (PET) til ikke-toksiske og biokompatible materialer designet til specifikt at målrette mod og angribe svampeinfektioner. Denne forskning blev offentliggjort i dag i det peer-reviewede tidsskrift, Naturkommunikation .

Over en milliard mennesker rammes af svampeinfektioner hvert år, spænder i sværhedsgrad fra aktuelle hudsygdomme som fodsvamp til livstruende blodsvampeinfektioner. Infektionen er mere tilbøjelig til at opstå, når kroppens immunsystem er kompromitteret på grund af en sygdom som HIV/AIDS, kræft eller når man får antibiotikabehandling.

Der er et presserende behov for at udvikle effektive og sygdomsspecifikke antifungale midler for at afbøde dette voksende problem med lægemiddelresistens. Traditionelle svampedræbende lægemidler skal ind i cellen for at angribe infektionen, men har problemer med at målrette og trænge ind i svampens membranvæg. Også, da svampe metabolisk ligner pattedyrsceller, eksisterende lægemidler kan have problemer med at skelne mellem sunde og inficerede celler.

I erkendelse af dette, IBM-forskere anvendte en organisk katalytisk proces for at lette transformationen af ​​PET, eller spild plastik fra en flaske, til helt nye molekyler, der kan omdannes til svampedræbende midler. Dette er vigtigt, da plastikflasker typisk genanvendes ved mekanisk jordforbindelse og for det meste kun kan genbruges i sekundære produkter som tøj, tæpper eller legeredskaber.

Hvordan det virker

Disse nye antifungale midler samles selv gennem en hydrogenbindingsproces, klæber til hinanden som molekylær velcro på en polymer-lignende måde for at danne nanofibre. Dette er vigtigt, fordi disse antifungale midler kun er aktive som et terapeutisk middel i fiber- eller polymerlignende form.

Denne nye nanofiber bærer en positiv ladning og kan selektivt målrette og binde sig til kun de negativt ladede svampemembraner baseret på elektrostatisk interaktion. Det bryder derefter igennem og ødelægger svampens cellemembranvægge, forhindre det i at udvikle resistens.

Ifølge Dr. Yi Yan Yang, Gruppeleder, IBN, "Disse molekylers evne til selv at samle sig til nanofibre er vigtig, fordi i modsætning til diskrete molekyler, fibre øger den lokale koncentration af kationiske ladninger og sammensatte masse. Dette letter målretningen af ​​svampemembranen og dens efterfølgende lysis, gør det muligt at ødelægge svampene i lave koncentrationer."

Udnyttelse af IBM Researchs beregningsevner, forskerne simulerede de antifungale samlinger, forudsige, hvilke strukturelle modifikationer der ville skabe den ønskede terapeutiske effektivitet.

"I takt med at beregningsprædiktive metoder fortsætter med at udvikle sig, vi kan begynde at etablere grundregler for selvsamling for at designe komplekse terapier til at bekæmpe infektioner såvel som den effektive indkapsling, transport og levering af en bred vifte af gods til deres målrettede syge steder, " sagde Dr. James Hedrick, Avanceret organisk materialeforsker, IBM Research – Almaden.

Den minimale hæmmende koncentration (MIC) af nanofibrene, som er den laveste koncentration, der hæmmer den synlige vækst af svampe, demonstreret stærk svampedræbende aktivitet mod flere typer svampeinfektioner. I yderligere undersøgelser udført af Singapores IBN, test viste, at nanofibrene udryddede mere end 99,9 % af C. albicans, en svampeinfektion, der forårsager den tredje mest almindelige blodstrømsinfektion i USA, efter en enkelt times inkubation og indikerede ingen resistens efter 11 behandlinger. Konventionelle antifungale lægemidler var kun i stand til at undertrykke yderligere svampevækst, mens infektionen udviste lægemiddelresistens efter seks behandlinger

Additional findings of this research indicated the nanofibers effectively dispersed fungal biofilms after one-time treatment while conventional antifungal drugs were not effective against biofilms.

The in vivo antifungal activity of the nanofibers was also evaluated in a mouse model using a contact lens-associated C. albicans biofilm infection. The nanofibers significantly decreased the number of fungi, hindered new fungal structure growth in the cornea and reduced the severity of existing eye inflammation. These experiments also showed mammalian cells survived long after incubation with the nanofibers, indicating excellent in vitro biocompatibility. Ud over, no significant tissue erosion is observed in the mouse cornea after topical application of the nanofibers.

"A key focus of IBN's nanomedicine research efforts is the development of novel polymers and materials for more effective treatment and prevention of various diseases, " said Professor Jackie Y. Ying, IBN Executive Director. "Our latest breakthrough with IBM allows us to specifically target and eradicate drug-resistant and drug-sensitive fungi strains and fungal biofilms, without harming surrounding healthy cells."