Борьба с супербактериями с помощью нанотехнологий и света

В борьбе с устойчивыми к антибиотикам бактериальными инфекциями появляется новый инструмент. Помимо глобальных усилий по ограничению чрезмерного использования антибиотиков, наномедицина находит дополнительные способы атаковать эти супербактерии.

Наночастицы, в миллион раз меньше миллиметра, демонстрируют стабильность, легкость доставки и способность проникать в клетки.

В недавней работе группа исследователей из Университета Колорадо использовала наноразмерные квантовые точки — крошечные полупроводниковые частицы со специфическими светопоглощающими свойствами — для уничтожения устойчивых к лекарствам супербактерий, не повреждая окружающие здоровые ткани.

Попав в организм, квантовые точки бездействуют, пока их не активируют светом. Для этого можно использовать любой источник видимого света (лампу, комнатное освещение или даже солнечный свет). Пока исследования сосредоточены на кожных инфекциях; для воздействия глубже в теле могут потребоваться более яркий свет или больше наночастиц.

При активации светом квантовые точки генерируют электроны, которые присоединяются к растворенному в клетках кислороду, создавая реактивные ионы. Эти ионы нарушают биохимические реакции, необходимые клеткам для коммуникации и основных жизненных функций. Таким образом можно прицельно уничтожать специфические бактериальные клетки, вызывающие болезни.

Угроза супербактерий

Антибиотики используются не только для лечения активных инфекций; их также регулярно назначают пациентам после операций и людям с ослабленным иммунитетом из-за таких заболеваний, как ВИЧ и рак.

Бактерии, устойчивые более чем к одному антибиотику — «супербактерии» — ежегодно заражают более 2 миллионов американцев и убивают 23 000 из них. В глобальном масштабе они ежегодно уносят более 700 000 жизней.

Прогнозы исследовательской группы правительства Великобритании показывают, что, если не принять мер, к 2050 году супербактерии могут убивать более 10 миллионов человек ежегодно. Это превысит смертность от всех других основных причин, включая диабет, рак, диарею и дорожные аварии. Экономический ущерб к 2050 году оценивается в 100 триллионов долларов США.

Прицельное воздействие

Существуют и другие наномасштабные средства для борьбы с инфекционными бактериями. Под воздействием света они нагреваются, убивая все окружающие клетки, а не только болезнетворные. Поэтому для их доставки в строго определенные места требуются специальные инструменты, такие как белки или антитела, избирательно прикрепляющиеся к нужным типам клеток. Это, в свою очередь, требует возможности точной идентификации клеток-мишеней.

Предлагаемый метод является улучшением, поскольку позволяет более специфично нацеливаться на клетки для лечения. Квантовые точки разного размера и с разными электрическими свойствами могут создавать различные разрушительные ионы. Это позволит врачам выбирать разрушители, которые убивают вторгшиеся бактерии, не повреждая близлежащие здоровые ткани.

Активированные квантовые точки нарушают баланс химических процессов, называемых «восстановление-окисление» или «редокс», в болезнетворных бактериях, чтобы убить их.

Используя этот метод и только обычную лампочку, исследователям удалось уничтожить широкий спектр антибиотикорезистентных бактерий. Бактерии были предоставлены в виде реальных клинических образцов из Медицинской школы Университета Колорадо. Среди них были некоторые из самых опасных устойчивых инфекций:

• метициллин-резистентный Staphylococcus aureus;
• продуцирующие β-лактамазы расширенного спектра Klebsiella pneumoniae и Salmonella typhimurium;
• мультирезистентная Escherichia coli;
• карбапенем-резистентная Escherichia coli.

Также удалось создать наночастицы с разной реакцией на свет, включая отсутствие реакции или даже усиление клеточного размножения. Стимулирование роста супербактерий нежелательно, но это открытие может позволить поощрять рост полезных бактерий, например, в биореакторах, которые помогают в производстве биотоплива и антибиотиков.

Следующие шаги

Пока работа велась в пробирках в контролируемых лабораторных условиях; следующий шаг — изучение этой техники на животных. В случае успеха эта технология может усилить борьбу с мультирезистентными бактериями как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

Например, она может стимулировать создание нового класса светоактивируемых лекарств, привести к разработке специальных тканей со светодиодами для фототерапии и даже лечь в основу самостерилизующихся поверхностей и медицинского оборудования.

И хотя бактерии будут продолжать эволюционировать в поисках выживания, наша способность контролировать специфическую реакцию квантовых точек после активации может позволить нам действовать быстрее в этой борьбе, где поражение не является вариантом.