Søger en hydrofil nanopartikelopløsning til antibiotikaresistens

Centers for Disease Control and Prevention anslår, at mere end 2,8 millioner amerikanere oplever antibiotika-resistente infektioner hvert år; mere end 35.000 dør af disse infektioner.

For at løse dette kritiske og verdensomspændende folkesundhedsproblem har et team af forskere ledet af Hongjun (Henry) Liang, Ph.D., fra Texas Tech University Health Sciences Center (TTUHSC) Department of Cell Physiology and Molecular Biophysics for nylig undersøgt, om eller ikke en række nye nanopartikler kan dræbe nogle af de patogener, der fører til menneskelig infektion uden at påvirke sunde celler.

Undersøgelsen, "Hydrofile nanopartikler, der dræber bakterier, mens de sparer pattedyrceller afslører nanostrukturernes antibiotiske rolle," blev offentliggjort 11. januar af Nature Communications .

Tidligere forskning har vist, at hydrofobicitet (et molekyles evne til at afvise vand) og hydrofilicitet (et molekyles evne til at tiltrække og opløses i vand) påvirker celler; jo mere hydrofobt et stof er, jo mere ugunstig reaktion vil det forårsage. Men, sagde Liang, er der ingen kvantitativ standard for, hvor meget hydrofobicitet der er acceptabel.

"Dybest set kan du dræbe bakterier, når du øger hydrofobiciteten," sagde Liang. "Men det vil også dræbe sunde celler, og det ønsker vi ikke."

Til deres undersøgelse brugte Liang-teamet nye hydrofile nanopartikler kendt som nanoantibiotika, der blev udviklet af Liangs laboratorium. Strukturelt set ligner disse nye nanoantibiotika små behårede kugler, hver sammensat af mange hydrofile polymerbørster podet på silicananopartikler af forskellig størrelse.

Disse syntetiske forbindelser, som Liangs laboratorium producerer, er designet til at dræbe bakterier via membranforstyrrelser, som antimikrobielle peptider gør, men gennem en anden membranombygningsmetode, der beskadiger bakteriemembraner og ikke pattedyrceller. Antimikrobielle peptider er en forskelligartet klasse af amfipatiske molekyler (delvist hydrofile-delvis hydrofobe), som forekommer naturligt og tjener som den første forsvarslinje for alle flercellede organismer. Den direkte brug af antimikrobielle peptider som antibiotika er begrænset af deres stabilitet og toksicitet.

Der har været andre undersøgelser, hvor forskere podet amfipatiske molekyler på nanopartikler, og de dræber også bakterier. Liang sagde imidlertid, at det primære problem ved at bruge amfipatiske molekyler er, at det bliver meget vanskeligt at finde den rette balance mellem deres hydrofobicitet og hydrofilicitet, så disse molekylers toksicitet for vores egne celler reduceres betydeligt.

"I vores tilfælde fjerner vi den usikkerhed fra ligningen, fordi vi startede med en hydrofil polymer," påpegede Liang. "Hydrofobe deles cytotoksicitet er ikke længere et problem. Disse hydrofile polymerer alene, eller silica-nanopartiklerne alene dræber ikke bakterier; de skal podes på nanostrukturen for at kunne dræbe bakterier. Og så er dette første vigtige opdagelse."

Liang-holdet opdagede også, at graden af ​​antibiotisk aktivitet påvirkes af størrelsen af ​​de behårede kugler, hvilket ifølge Liang er den anden vigtige opdagelse i denne forskning. Dem, der måler 50 nanometer og derunder, ser ud til at være meget mere aktive end dem, hvis størrelse overstiger 50 nanometer. Liang sagde, at dem, der måler cirka 10 nanometer, ser ud til at være de mest aktive. (Ved brug af synkrotron-røntgenspredning med lille vinkel og andre metoder er Liang-teamet i stand til at fortolke den molekylære mekanisme af den størrelsesafhængige antibiotikaaktivitet.)

Disse opdagelser er vigtige, fordi brugen af ​​nanoantibiotika til at dræbe bakterier undgår alle kendte mekanismer for bakteriel resistens, medmindre bakterier fuldstændigt fornyer deres veje til fremstilling af cellemembraner, hvilket Liang sagde er usandsynligt.

"Det er også næsten umuligt for bakterier at udvikle ny resistens mod nanoantibiotika," understregede Liang. "Desuden belyser denne opdagelse en plan for at udvikle nye antibiotika, der vil dræbe bakterier ved kontakt, men forbliver venlige for mennesker, fordi de er produceret ved hjælp af ikke-toksiske og miljøvenlige ingredienser via nanoengineering." + Udforsk yderligere

Ny kobberoverflade eliminerer bakterier på kun to minutter