science >> Wetenschap >  >> Biologie

Hoe Ninja-deeltjes werken

Menselijke ninja's stonden bekend om het snel en heimelijk zoeken en vernietigen van hun tegenstanders. Ninja-deeltjes zijn zo, te, alleen microscopisch. Toshifumi Kitamura/AFP/Getty Images

Ninja waren sluipende krijgers in de Japanse geschiedenis die vaak de opdracht kregen om vijanden te infiltreren en te vermoorden. Ninja-deeltjes doen vrijwel hetzelfde:aanvallen en doden.

Gemaakt en benoemd door onderzoekers van IBM en Singapore's Institute of Bioengineering and Nanotechnology, deze minuscule aanvallers kunnen twee problemen oplossen die de moderne geneeskunde teisteren:antibioticaresistente bacteriën en biofilms. Op het eerste front, de helft van de gehospitaliseerde patiënten in de Verenigde Staten lijdt aan een ziekenhuisinfectie met resistente bacteriën, volgens sommige schattingen, en de infecties van deze bacteriën worden steeds moeilijker te behandelen [bron:Liu]. Superbugs, zoals infectieveroorzakende methicilline-resistent Staphylococcus aureus en Escherichia coli , hebben een resistentie ontwikkeld tegen traditionele antibiotica. Als resultaat, wetenschappers en artsen worden gedwongen om alternatieve behandelingsopties te zoeken om deze bacteriën te doden. Tweede, de biofilms die zich vormen op de oppervlakken van medische apparaten vormen ook een enorm probleem. Omdat deze door bacteriën aangetaste smurrieachtige stoffen katheters en andere medische implantaten bedekken, de apparaten worden een voertuig om bacteriën in het lichaam te vervoeren.

Voer het ninjadeeltje in. In klassieke ninjastijl, deze kleine deeltjes (1, 000 keer kleiner dan een zandkorrel!) op een dag in het lichaam kunnen infiltreren, jaag op de aanstootgevende bacterie en dood hem op een manier waardoor de microbe eruitziet alsof hij is aangevallen met een ninjaster. Net als zijn naamgenoot, dit deeltje is goed in zijn werk. Het richt zich op zijn doelwit en slaagt erin andere cellen ongedeerd te laten. De deeltjes zijn even goed in het verwijderen van biofilms die zich op oppervlakken vormen, waardoor er rekening moet worden gehouden met deze kleine ninja's.

Blijf lezen om meer te weten te komen over hoe deze deeltjes zich een weg naar het laboratorium hebben gevochten en wat ze voor ons kunnen doen.

Inhoud
  1. Wat er nodig is om een ​​Ninja-deeltje te zijn
  2. Ninja-deeltjes richten en vernietigen
  3. Voordelen van het gebruik van Ninja-deeltjes om infecties te behandelen
  4. Doeltoepassingen van Ninja-deeltjes

Wat er nodig is om een ​​Ninja-deeltje te zijn

Ziet eruit als een bacteriecel die niets te vrezen heeft, Rechtsaf? Ga naar de volgende pagina om te zien hoe het eruit ziet nadat een ninjadeeltje erin is gekomen. Afbeelding met dank aan IBM

Toen onderzoeker Yi Yan Yang hoorde over het werk dat scheikundige Jim Hedrick bij IBM deed op het gebied van micro-elektronica, ze benaderde hem meteen over een samenwerking, hem te vertellen dat zijn onderzoeksvooruitgang in de geneeskunde beter zou kunnen worden gebruikt. Vanaf dat moment, hun samenwerking heeft geresulteerd in de ontwikkeling van een veelbelovende groep nanodeeltjes die "ninjadeeltjes" worden genoemd.

Het menselijke immuunsysteem inspireerde hun creatie. Als iemand ziek wordt, zijn of haar lichaam scheidt antimicrobiële peptiden . Deze bacteriebestrijdende moleculen zoeken een microbe op, grijp het vast en dood het (dat laatste kan op een paar verschillende manieren gebeuren). Hedrick en Yang wilden in het laboratorium een ​​deeltje maken dat hetzelfde zou doen.

Het nanodeeltje dat ze hebben gemaakt, is gemaakt van een speciaal type polymeer. polymeren zijn super lang, geketende moleculen. Kunststoffen, bijvoorbeeld, zijn allemaal polymeren. Het polymeer nanodeeltje dat Hedrick en Yang ontwikkelden, heeft drie delen die het zo bedreven maken in het doden van bacteriën.

  1. Aan de kettingen hangt een dopaminemolecuul. JEP, we hebben het over dezelfde dopamine die helpt om de belonings- en pleziercentra van de hersenen te controleren. Hier, het dient een puur functioneel doel om het polymeer nanodeeltje aan zijn doelwit te helpen hechten.
  2. De lange ketens bevatten ook een korte keten van een ander type polymeer, polyethyleenglycol (of PEG). PEG heeft veel industriële en medicinale toepassingen. In dit geval, het werkt om de groei van organismen op oppervlakken te bestrijden, als preventieve maatregel om bacteriën te bestrijden.
  3. Eindelijk, de nanodeeltjes bevatten een positief geladen deel dat antibacteriële eigenschappen heeft. Dit deel helpt om de negatief geladen bacteriën in het lichaam aan te pakken en ze te doden als ze eenmaal zijn gevonden.

Met deze drie delen Het is aangetoond dat ninjadeeltjes effectief zijn in het doden van methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA), E coli en bepaalde soorten schimmels [bron:Yang]. In aanvulling, de nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om medische apparaten zoals katheters te coaten, die berucht zijn voor het kweken van door bacteriën geteisterde biofilms. De coating voorkomt de vorming van bacteriën op de oppervlakken, het verminderen van de kans op infecties bij patiënten met deze geïmplanteerde apparaten.

Ninja-deeltjes richten en vernietigen

Zo ziet de bacteriecel eruit nadat een ninjadeeltje erop is gaan zitten:gepoft (of gelyseerd). Afbeelding met dank aan IBM

Dus ninjadeeltjes zijn speciaal ontworpen om bacteriën aan te pakken en te doden, maar hoe? De eerste stap is het vinden van de gewraakte bacteriecellen in een zee van zoogdiercellen. Dit is waar dat basisprincipe van 'tegenpolen elkaar aantrekken' van kracht wordt. Het oppervlak van bacteriële cellen is negatiever geladen dan dat van zoogdiercellen. Om specifiek aangetrokken te worden door de bacteriecellen, de ninjadeeltjes moeten de tegenovergestelde lading hebben - positief. Ze verzamelen deze positieve lading op hun oppervlak via een proces genaamd zelfmontage . Elk deeltje is opgebouwd uit vele, veel kleinere strengen polymeren. Deze polymeren klonteren samen, of zelf monteren, kleine balletjes vormen genaamd micellen . Vanwege aantrekkelijke interacties tussen verschillende delen van de polymeerketen, deze micellen vormen van nature in water met de buitenkant van de bal bedekt met een positieve lading. En voila - de bal van positieve lading wordt van nature aangetrokken door de negatief geladen microbe.

Eenmaal daar, het ninjadeeltje hecht zich aan de bacteriecel. De positief geladen delen van het deeltje die hielpen bij het selectief vinden van de bacteriële cellen, werken ook als antibacteriële middelen, gaten in de celwand prikken. Dit proces, genaamd membraan lysis , ruïneert de structuur van de cel, waardoor de ingewanden van de cel beginnen te sijpelen, zonder hoop op herstel. Dit, in feite, is waar de onderzoekers de naam "ninja" voor hun deeltjes bedachten. De methode om de celwand te perforeren met gaten is vergelijkbaar met wat er zou kunnen gebeuren als de cel zou worden aangevallen met een ninjaster.

Een van de mooiste onderdelen van dit proces is dat bacteriën nooit de kans krijgen om resistentie te ontwikkelen. Antibiotica werken door selectief bepaalde delen van het celmechanisme te verlammen, waarbij de meeste structurele kenmerken intact blijven. De ninjadeeltjesmethode, in tegenstelling tot, is zeer fysiek schadelijk voor de cel, en de bacteriën hebben niet de mogelijkheid om mogelijk resistentie tegen de ninjadeeltjes te ontwikkelen [bron:Nederberg et al].

De levensduur van de ninjadeeltjes kan nauwkeurig worden afgesteld, zodat ze de bacteriecellen kunnen doden voordat ze zelf worden gedood. Eventueel, echter, enzymen in het lichaam beginnen de deeltjes af te breken en vallen uit elkaar, waarbij de resulterende kleinere stukjes door het lichaam worden uitgescheiden [bron:Hedrick].

Voordelen van het gebruik van Ninja-deeltjes om infecties te behandelen

Bacteriofagen kunnen een andere behandelingsoptie vormen voor artsen die bacteriële infecties bestrijden. Science Picture Co/Getty Images

Met de overgang naar een post-antibiotische wereld, wetenschappers hebben aangedrongen op het vinden van alternatieve behandelingen voor infecties waarbij geen antibiotica betrokken zijn. Er is vooruitgang geboekt met virussen genaamd bacteriofagen , die de innerlijke machinerie van de bacterie kapen en ervoor zorgen dat het als een ballon barst. Er is ander werk gedaan met door bacteriën gemaakte toxines ( bacteriocines ) om infectieveroorzakende bacteriën te doden. De vorderingen die het nauwst verband houden met ninjadeeltjes zijn therapieën waarbij: kationisch of antimicrobiële peptiden . Deze moleculen kunnen zich ook selectief richten op bacteriën vanwege de tegengestelde aantrekking van ladingen op hun oppervlak. Hun methode om de bacteriële cellen te doden is geworteld in verstoring van de communicatie tussen cellen [bron:Borel]. Deze therapie, echter, wordt geplaagd door verschillende problemen:toxiciteit voor gezonde, niet-bacteriële cellen (bijvoorbeeld zoogdiercellen kunnen scheuren en hun inhoud vrijgeven); korte halfwaardetijd in vivo (ze gaan niet erg lang mee in het lichaam) en hoge productiekosten [bron:Nederberg et al].

Ninja-deeltjes lossen veel van deze problemen op. Ze zijn compatibel met bloed, met minimale tot geen toxiciteit voor rode bloedcellen; zijn stabiel genoeg om in vivo effectief te blijven; gemakkelijk biologisch afbreekbaar en zijn orden van grootte goedkoper te maken. Ninja-deeltjes zijn niet de enige bacteriën die deeltjes bestrijden. Onderzoekers over de hele wereld hebben vergelijkbare vooruitgang geboekt bij het ontwikkelen van andere kleine moleculen met antimicrobiële eigenschappen of het creëren van op nanodeeltjes gebaseerde benaderingen voor medicijnafgifte [bronnen:Zhu en Gao]. Deze deeltjes voegen zich bij een groeiende gemeenschap van op nanodeeltjes gebaseerde therapieën. Nanodeeltjes worden gebruikt in medicinale toepassingen zoals medische beeldvorming (zoals MRI) en bij de behandeling van een breed scala aan ziekten zoals kanker en aids.

Doeltoepassingen van Ninja-deeltjes

Ninja-deeltjes hebben het potentieel om een ​​enorme impact in ons leven te hebben. Hun bewezen vermogen om antibioticaresistente bacteriën op te sporen en te doden, betekent dat we ze ooit in de vorm van een injecteerbaar medicijn kunnen zien. Onderzoekers blijven gegevens verzamelen over de werkzaamheid en toxiciteit (of gebrek aan toxiciteit, eigenlijk) van deze deeltjes. Als ze klaar zijn met hun tests, farmaceutische bedrijven kunnen tussenbeide komen om menselijke proeven te doen die controleren hoe deze deeltjes bacteriële infecties in het lichaam bestrijden.

Buiten het lichaam, we kunnen ninjadeeltjes gaan zien die worden gebruikt als ontsmettingsmiddel en om de vorming van biofilm te stoppen. De bacteriën waaruit biofilms bestaan, zijn erg goed in het beschermen van zichzelf. Veel sprays op de markt hebben moeite om de beschermende lagen van een biofilm te doorbreken om oppervlakken te desinfecteren. Ninja-deeltjes, anderzijds, in staat zijn om bij contact bacteriën in deze biofilms uit te roeien, een geweldige manier om medische apparaten schoon te maken, of zelfs oppervlakken voor voedselbereiding.

Deze nanodeeltjes kunnen hun weg vinden naar onze producten voor persoonlijke verzorging, te, in wezen elke plaats waar we geen bacteriële opbouw willen. Ze kunnen worden gebruikt om contactlenzen te coaten of als additieven in zaken als mondwater, deodorants en wasmiddelen. Ze kunnen zelfs worden gebruikt in waterzuiveringssystemen. Slechte bacteriën zijn overal, en deze ninjadeeltjes staan ​​klaar om ze te vinden en te vernietigen.

Veel meer informatie

Opmerking van de auteur:Hoe Ninja-deeltjes werken

Het is het beste als iets met een coole naam zijn naam echt waarmaakt. En ninjadeeltjes zijn ongeveer net zo geweldig als hun naam doet vermoeden. Terwijl ik dit artikel aan het schrijven was, Ik vond het geweldig om me voor te stellen dat deze deeltjes heimelijk door het lichaam ritselen, de slechte bacteriën vinden en ze opensnijden. Dit onderzoek is zo veelbelovend; Ik kan niet wachten om deze deeltjes op de markt te vinden. Het enige dat me verdrietig maakt, is dat als ze op een dag in onze producten voor persoonlijke verzorging of in onze medicijnen terechtkomen, dat ik niet door de ingrediënten kan scrollen en "ninjadeeltjes" in de lijst kan zien. Helaas, Ik denk dat de FDA en andere regulerende organisaties hun echte chemische namen kunnen eisen. Jammer.

gerelateerde artikelen

  • 5 Realiteiten van een post-antibiotische wereld
  • MRSA 101
  • 10 veel voorkomende ziekenhuisinfecties
  • Wat zien deeltjesfysici als er botsingen plaatsvinden?
  • Hoe biofilms werken

bronnen

  • Borel, Brooke. "Het tijdperk van antibiotica is voorbij." Populaire wetenschap. 7 juli 2014. (5 december, 2014) http://www.popsci.com/article/science/age-antibiotics-over
  • engel, Amanda C.; Bruinen, Jeremy PK; ong, Zhan Yuan; Coady, Daniël J.; niet, Victor WL; Yang, Yi-Yan; Hedrick, James L. "Antimicrobiële polycarbonaten:onderzoek naar de impact van balancerende lading en hydrofobiciteit met behulp van een zelfde-gecentreerde polymeerbenadering." Biomacromoleculen. Vol. 14. blz. 4331-4339. 2013.
  • engel, Amanda C.; Wiradharma, Nikken; ong, Zhan Yuin; Coady, Daniël J.; Hedrick, Jacobus; Yang, Yi Yan. "Opkomende trends in macromoleculaire antimicrobiële middelen om multiresistente infecties te bestrijden." Nano Vandaag. Vol. 7. blz. 201-222. 2012.
  • Fukushima, Kazuki; Bruinen, Jeremy PK; Korevaar, Pieter A.; Yang, Yi-Yan; Pitera, jed; Nelson, Alshakim; Maune, hareem; Coady, Daniël J.; Frommer, Jane E.; engel, Amanda C.; Huang, Yuan; Xu, Kaijin; Ji, Zhongkang; Qiao, Yuan; Fan, Weimin; Li, Lanjuan; Wiradharma, Nikken; Meijer, EW; Hedrick, James L. "Breed-spectrum antimicrobiële supramoleculaire assemblages met onderscheidende grootte en vorm." ACS Nano. Vol. 6. blz. 9191-9199. 2012.
  • Gao, Weiwei; Thamphiwatana, Soracha; Ansantikul, Pavimol; Zhang, Liangfang. "Nanodeeltjesbenaderingen tegen bacteriële infecties." Wiley Interdisciplinaire beoordelingen - Nanogeneeskunde en nanobiotechnologie. Vol. 6. blz. 532-547. 2014.
  • Hastings, Pasteitje. "IBM ontdekt 'ninjadeeltjes' om MRSA te vernietigen." Medill-rapporten - Chicago, Noordwestelijke Universiteit. 20 april 2011. (21 november, 2014) http://news.medill.northwestern.edu/chicago/news.aspx?id=185145
  • Hedrick, Jacobus. Onderzoekwetenschapper, IBM. Persoonlijk interview. 2 december 2014.
  • IBM. "Ninja-polymeren." 8 december 2013. (5 december, 2014) http://www.research.ibm.com/articles/nanomedicine.shtml#fbid=3zMVTpAmoST
  • Kane, Jason. "FRONTLINE vraagt:is er een einde gekomen aan het antibioticatijdperk?" PBS Nieuwsuur. 22 okt. 2013. (21 november, 2014) http://www.pbs.org/newshour/rundown/frontline-asks-has-the-age-of-antibiotics-come-to-an-end/
  • Liu, Shao Qiong; Yang, Chuan; Huang, Yuan; Ding, Xin; Li, Jan; Fan, Wei Min; Hedrick, James L.; Yang, Yi Yan. "Antimicrobiële en aangroeiwerende hydrogels gevormd in situ uit polycarbonaat en poly (ethyleenglycol) via Michael Addition." Geavanceerde materialen. Vol. 24. blz. 6484-6489. 2012.
  • Molensteen, Jill. Universitair Docent Scheikunde, Universiteit van Pittsburgh. Persoonlijk interview. 2 december 2014.
  • Murthy, Shashi K. "Nanodeeltjes in de moderne geneeskunde:stand van zaken en toekomstige uitdagingen." Internationaal tijdschrift voor nanogeneeskunde. Vol. 2. blz. 129-141. 2007.
  • Nederberg, Frederik; Zhang, Ying; Bruinen, Jeremy PK; Xu, Kaijin; Wang, Huaying; Yang, Chuan; Gao, Shujun; Guo, Xin Dong; Fukushima, Kazuki; Li, Lanjuan; Hedrick, Jacobus; Yang, Yi Yan. "Biologisch afbreekbare nanostructuren met selectieve lysis van microbiële membranen." Natuur Chemie. Vol. 3. blz. 409-414. 2011.
  • niet, Victor WL; Bruinen, Jeremy PK; Leong, Jiayu; Voo, Zhi Xiang; Hedrick, James L. Yang, Yi Yan. "Antimicrobiële polycarbonaten:onderzoek naar de impact van stikstofbevattende heterocycli als quaterniserende middelen." Macromoleculen. Vol. 47. blz. 1285-1291. 2014.
  • Qiao, Yuan; Yang, Chuan; Coady, Daniël J.; ong, Zhan Yuin; Hedrick, Jacobus; Yang, Yi Yan. "Zeer dynamische biologisch afbreekbare micellen die in staat zijn om Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriële membranen te lyseren." Biomaterialen. Vol. 33. blz. 1146-1153. 2012.
  • Salaita, Khalid. Universitair Docent Scheikunde, Emory-universiteit. Persoonlijk interview. 23 november 2014.
  • Volpe, Jozef. "IBM's 'Ninja Particles' zouden de opkomst van superbacteriën kunnen stoppen." Verloofd. 11 september 2014. (21 november, 2014) http://www.engadget.com/2014/09/11/ibm-ninja-particles-could-stop-superbugs/
  • Yang, Chuan; Ding, Xin; Ono, Robert J.; Lee, Haesjin; Hsu, Li-Yang; Tong, Yen Wah; Hedrick, Jacobus; Yang, Yi Yan. "Borstelachtige polycarbonaten die dopamine bevatten, kationen, en PEG die een breed spectrum bieden, antibacterieel, en aangroeiwerende oppervlakte via One-Step Coating." Advanced Materials. Vol. 26. pp. 7346-7351. 2014.
  • Zhu, Xi; Radovic-Moreno, Aleksandar F.; Wu, juni; Langer, Robert; Shi, Jinjun. "Nanogeneeskunde bij de behandeling van microbiële infectie - Overzicht en perspectieven." Nano Vandaag. Vol. 9. blz. 478-498. 2014.

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Verschil tussen bacterie- en plantencel Wall
  2. Wat zijn de belangrijkste functies van Cilia & Flagella?
  3. 10 echt slimme mensen die echt domme dingen deden
  4. Zijn dieren nog in ontwikkeling?
  5. Hoe toont hemoglobine de vier niveaus van eiwitstructuur?
  6. 2 Voorbeelden van Heterozygote eigenschappen
  7. Wat zijn de voordelen van biodiversiteit?
  8. Cytoplasma bacteriecellen
  9. Mensen evolueren nog steeds - Heres the Evidence

Wetenschap