Antibiotiske nanopartikler bekæmper lægemiddelresistente bakterier

Antibiotikaresistens er et voksende problem, især blandt en type bakterier, der er klassificeret som "Gram-negative." Disse bakterier har to cellemembraner, gør det sværere for lægemidler at trænge ind og dræbe cellerne.

Forskere fra MIT og andre institutioner håber at bruge nanoteknologi til at udvikle mere målrettede behandlinger for disse lægemiddelresistente insekter. I en ny undersøgelse, de rapporterer, at et antimikrobielt peptid pakket i en siliciumnanopartikel dramatisk reducerede antallet af bakterier i lungerne hos mus inficeret med Pseudomonas aeruginosa, en sygdom, der forårsager Gram-negativ bakterie, der kan føre til lungebetændelse.

Denne tilgang, som også kunne tilpasses til at målrette mod andre vanskelige at behandle bakterielle infektioner såsom tuberkulose, bygger på en strategi, som forskerne tidligere har brugt til at levere målrettede kræftlægemidler.

"Der er mange ligheder i leveringsudfordringerne. Ved infektion, som i kræft, navnet på spillet dræber selektivt noget, brug af et lægemiddel, der har potentielle bivirkninger, " siger Sangeeta Bhatia, John og Dorothy Wilson professor i sundhedsvidenskab og teknologi og elektroteknik og datalogi og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Institute for Medical Engineering and Science.

Bhatia er seniorforfatter af undersøgelsen, som står i journalen Avancerede materialer . Hovedforfatteren er Ester Kwon, en forsker ved Koch Instituttet. Andre forfattere er Matthew Skalak, en MIT kandidat og tidligere Koch Institute forskningstekniker; Alessandro Bertucci, en Marie Curie postdoc ved University of California i San Diego; Gary Braun, en postdoc ved Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute; Francesco Ricci, en lektor ved universitetet i Rom Tor Vergata; Erkki Ruoslahti, en professor ved Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute; og Michael Sailor, professor ved UCSD.

Synergistiske peptider

Efterhånden som bakterier bliver mere og mere resistente over for traditionelle antibiotika, et alternativ, som nogle forskere undersøger, er antimikrobielle peptider - naturligt forekommende defensive proteiner, der kan dræbe mange typer bakterier ved at forstyrre cellulære mål såsom membraner og proteiner eller cellulære processer såsom proteinsyntese.

Et par år siden, Bhatia og hendes kolleger begyndte at undersøge muligheden for at levere antimikrobielle peptider på en målrettet måde ved hjælp af nanopartikler. De besluttede også at prøve at kombinere et antimikrobielt peptid med et andet peptid, der ville hjælpe stoffet med at krydse bakterielle membraner. Dette koncept blev bygget på tidligere arbejde, der tyder på, at disse "tandempeptider" kunne dræbe kræftceller effektivt.

For det antimikrobielle peptid, forskerne valgte et syntetisk bakterietoksin kaldet KLAKAK. De knyttede dette toksin til en række forskellige "handelspeptider, " som interagerer med bakterielle membraner. Af 25 testede tandempeptider, den bedste viste sig at være en kombination af KLAKAK og et peptid kaldet lactoferrin, hvilket var 30 gange mere effektivt til at dræbe Pseudomonas aeruginosa end de enkelte peptider var alene. Det havde også minimal toksisk virkning på menneskelige celler.

For yderligere at minimere potentielle bivirkninger, forskerne pakkede peptiderne ind i siliciumnanopartikler, som forhindrer peptiderne i at blive frigivet for tidligt og beskadige væv, mens de er på vej til deres mål. Til denne undersøgelse, forskerne leverede partiklerne direkte ind i luftrøret, men til menneskelig brug, de planlægger at designe en version, der kunne inhaleres.

Efter at nanopartiklerne blev leveret til mus med en aggressiv bakteriel infektion, disse mus havde omkring en million af antallet af bakterier i deres lunger som ubehandlede mus, og de overlevede længere. Forskerne fandt også ud af, at peptiderne kunne dræbe stammer af lægemiddelresistente Pseudomonas taget fra patienter og dyrket i laboratoriet.

Tilpasning af koncepter

Infektionssygdomme er et ret nyt forskningsområde for Bhatias laboratorium, som har brugt det meste af de seneste 17 år på at udvikle nanomaterialer til behandling af kræft. Et par år siden, hun begyndte at arbejde på et projekt finansieret af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) for at udvikle målrettede behandlinger for infektioner i hjernen, som førte til det nye lungeinfektionsprojekt.

"Vi har tilpasset mange af de samme koncepter fra vores kræftarbejde, herunder at øge den lokale koncentration af lasten og derefter få lasten til at interagere selektivt med målet, som nu er bakterier i stedet for en tumor, " siger Bhatia.

Hun arbejder nu på at inkorporere et andet peptid, der vil hjælpe med at målrette antimikrobielle peptider til den korrekte placering i kroppen. Et relateret projekt involverer at bruge handel med peptider til at hjælpe eksisterende antibiotika, der dræber Gram-positive bakterier, med at krydse den dobbelte membran af Gram-negative bakterier, gør dem i stand til også at dræbe disse bakterier.