Forskere bruger nanopartikler lavet af bakterier til at bekæmpe antibiotika-resistente infektioner som MRSA

Anslået 700, 000 mennesker verden over dør af antibiotika-resistente infektioner hvert år, herunder stammer af E coli , Staphylococcus , og lungebetændelse. Og hvis de nuværende tendenser fortsætter, nogle forudsigelser siger, at det årlige dødstal kan stige til 10 millioner i 2050, overgår antallet af mennesker, der bliver dræbt af alle kræftformer tilsammen.

Mikroskopiske partikler, fremstillet af de samme antibiotika-resistente bakterier, kunne erstatte traditionelle antibiotika og give en løsning på denne truende krise, siger Thomas Webster, en professor i kemiteknik ved Northeastern.

Webster og hans kolleger bruger bakterier til at producere nanopartikler, metalliske partikler, der er mellem en og 100 nanometer brede. (Et enkelt hår er omkring 80, 000 nanometer bred.) Forskerne har fundet ud af, at disse nanopartikler er særligt effektive til at dræbe, uanset hvilken type celle der blev brugt til at skabe dem, herunder stammer af bakterier, der er resistente over for traditionelle antibiotika.

"Disse partikler, der er lavet af levende organismer, er faktisk bedre end dem, der er lavet gennem syntetisk kemi, " siger Webster, som også er Art Zafiropoulo Chair in Engineering ved Northeastern. "De kan selektivt målrette mod de bakterier eller celler, der har lavet dem."

På grund af deres lille størrelse, nanopartikler kan ødelægge celler ved at kvæle dem udefra eller forstyrre cellulære funktioner indefra. Det svære er at sørge for, at nanopartikler kun dræber de celler, de skal.

"Vi har mange meget gode bakterier i vores krop, " siger Webster. "Du vil bare dræbe de skadelige."

Nanopartikler fremstilles typisk syntetisk, ved hjælp af kemiske reaktioner. Men ved at fodre bakterier eller andre celler med den rigtige kemiske forbindelse, forskerne har været i stand til at bruge en celles interne mekanismer til at syntetisere nanopartikler i stedet.

Selvom forskerne ikke er sikre på, hvorfor disse nanopartikler specifikt er rettet mod deres skabere, David Medina, en ph.d.-studerende i Websters laboratorium, siger, at bakterierne muligvis fejlidentificerer nanopartiklerne som "venlige".

Bakterieceller er i stand til at genkende hinanden. De kan handle for at bekæmpe noget, der registreres som fremmed, men de kan sameksistere og samarbejde med deres egen slags. Når bakterier laver nanopartikler, de dækker dem i en tynd glorie af protein. Det proteinlag kan få andre bakterier af samme art til at markere dem som "venlige" og lade nanopartiklerne komme tæt på.

"Den naturlige belægning kommer fra bakterierne, " siger Medina. "De trækker den ind, tænker at det er noget der ligner dem. Men derefter, de finder en overraskelse."

På grund af dette bedrag, Medina omtaler nanopartiklerne som "nanometriske trojanske heste." Og, som det ofte sker i videnskaben, opdagelsen var en lykkelig ulykke.

Websters laboratorium har arbejdet med nanopartikler i to årtier, han siger, men ligesom de fleste forskere, de lavede de nanopartikler gennem syntetisk kemi.

"Nogle gange i den proces, du skal bruge ret giftige materialer, " siger Webster. Da Medina begyndte sin doktorgradsforskning i laboratoriet, han ønskede at fokusere på mere miljøvenlige metoder. "Gennem Davids indsats, vi er et af de få laboratorier, der virkelig er banebrydende for dette område, som vi kalder grøn nanomedicin, hvor man bruger enten miljøvenlige materialer eller levende organismer til at lave nanopartikler."

Nanopartikler har mange potentielle anvendelser inden for medicin og andre områder, men Medina besluttede at se, om hans ville være i stand til at dræbe bakterier. Han begyndte at dyrke kolonier af celler, blande metalliske salte i, så de kan behandles, og derefter rense resultaterne til nanopartikler. Så ville han blande de nanopartikler med en anden art af bakterier, for at se, om nanopartiklerne kunne dræbe dem.

En dag, han lavede en fejl.

"Jeg var virkelig træt, " siger Medina. "Jeg var ved at forberede eksperimentet, og i stedet for at blande nanopartiklerne med en anden bakterie, Jeg blandede dem med det samme."

Nanopartiklerne, som næsten ikke havde nogen effekt på de bakterier, han havde til hensigt at teste dem på, effektivt dræbte de bakterier, der skabte dem.

"David opdagede, at hvis vi programmerer MRSA [en antibiotika-resistente Staphylococcus-bakterier] til at lave en nanopartikel, at nanopartikel faktisk selektivt kan dræbe MRSA, " siger Webster. "Og vi ser det på tværs af hele spektret. Hvis du tog en brystkræftcelle, og du programmerede den celle til at lave en nanopartikel, at nanopartikel er mere selektiv til at dræbe brystkræftceller end de raske celler, der er i din krop. Det var fuldstændig uventet."

Denne opdagelse er blevet centrum for Medinas doktorafhandling, og kunne give en måde at bekæmpe det stigende antal af antibiotika-resistente infektioner. Forskerne ser også på at bruge disse metoder til at designe nanopartikel-baserede kræftbehandlinger.

"Alt, vi forventede at gøre i denne indsats, var at reducere antallet af giftige kemikalier, som vi bruger til at lave nanopartikler, " siger Webster. "Men vi endte med at opdage en hel familie af nanopartikler, der faktisk er mere effektive til at gøre, hvad vi vil have dem til at gøre:at dræbe bakterier, eller dræbe tumorceller."