In de afgelopen decennia is wetenschappers hebben te maken gehad met uitdagingen bij het ontwikkelen van nieuwe antibiotica, zelfs nu bacteriën steeds resistent zijn geworden tegen bestaande medicijnen. Een strategie die dergelijke resistentie zou kunnen bestrijden, zou zijn om de bacteriële afweer te overweldigen door zeer gerichte nanodeeltjes te gebruiken om grote doses bestaande antibiotica af te leveren.

In een stap naar dat doel, onderzoekers van MIT en Brigham and Women's Hospital hebben een nanodeeltje ontwikkeld dat is ontworpen om het immuunsysteem te ontwijken en zich thuis te voelen op infectieplaatsen, ontketen dan een gerichte antibiotische aanval.

Deze aanpak zou de bijwerkingen van sommige antibiotica verminderen en de nuttige bacteriën beschermen die normaal in ons lichaam leven, zegt Aleks Radovic-Moreno, een MIT-afgestudeerde student en hoofdauteur van een paper waarin de deeltjes worden beschreven in het tijdschrift ACS Nano.

Instituut Professor Robert Langer van MIT en Omid Farokzhad, directeur van het Laboratorium voor Nanogeneeskunde en Biomaterialen in Brigham and Women's Hospital, zijn senior auteurs van het artikel. Timoteüs Lu, een assistent-professor elektrotechniek en informatica, en MIT-studenten Vlad Puscasu en Christopher Yoon hebben ook bijgedragen aan het onderzoek.

Regels van aantrekking

Het team creëerde de nieuwe nanodeeltjes van een polymeer bedekt met polyethyleenglycol (PEG), die vaak wordt gebruikt voor medicijnafgifte omdat het niet-toxisch is en nanodeeltjes kan helpen door de bloedbaan te reizen door detectie door het immuunsysteem te omzeilen.

Hun volgende stap was om de deeltjes te induceren om zich specifiek op bacteriën te richten. Onderzoekers hebben eerder geprobeerd deeltjes op bacteriën te richten door ze een positieve lading te geven, waardoor ze worden aangetrokken door de negatief geladen celwanden van bacteriën. Echter, het immuunsysteem heeft de neiging om positief geladen nanodeeltjes uit het lichaam te verwijderen voordat ze bacteriën kunnen ontmoeten.

Om dit te overwinnen, de onderzoekers ontwierpen antibiotica-dragende nanodeeltjes die hun lading kunnen veranderen afhankelijk van hun omgeving. Terwijl ze in de bloedbaan circuleren, de deeltjes hebben een lichte negatieve lading. Echter, wanneer ze een infectieplaats tegenkomen, de deeltjes krijgen een positieve lading, waardoor ze zich stevig aan bacteriën kunnen binden en hun medicijnlading kunnen vrijgeven.

Deze omschakeling wordt veroorzaakt door de licht zure omgeving van bacteriën. Infectieplaatsen kunnen iets zuurder zijn dan normaal lichaamsweefsel als ziekteverwekkende bacteriën zich snel voortplanten, zuurstof opraken. Gebrek aan zuurstof veroorzaakt een verandering in het bacteriële metabolisme, waardoor ze organische zuren produceren. De immuuncellen van het lichaam dragen ook bij:cellen die neutrofielen worden genoemd, produceren zuren terwijl ze proberen de bacteriën te consumeren.

Net onder de buitenste PEG-laag, de nanodeeltjes bevatten een pH-gevoelige laag gemaakt van lange ketens van het aminozuur histidine. Naarmate de pH daalt van 7 naar 6 - wat een toename van de zuurgraad betekent - heeft het polyhistidine-molecuul de neiging om protonen te krijgen, waardoor het molecuul een positieve lading krijgt.

Overweldigende kracht

Zodra de nanodeeltjes binden aan bacteriën, ze beginnen hun drugslading vrij te geven, die is ingebed in de kern van het deeltje. In dit onderzoek, de onderzoekers ontwierpen de deeltjes om vancomycine af te geven, gebruikt voor de behandeling van resistente infecties, maar de deeltjes zouden kunnen worden gemodificeerd om andere antibiotica of combinaties van medicijnen af ​​​​te leveren.

Veel antibiotica verliezen hun effectiviteit naarmate de zuurgraad toeneemt, maar de onderzoekers ontdekten dat antibiotica gedragen door nanodeeltjes hun potentie beter behouden dan traditionele antibiotica in een zure omgeving.

De huidige versie van de nanodeeltjes geeft zijn medicijnlading over een tot twee dagen vrij. “Je wilt niet slechts een korte uitbarsting van drugs, omdat bacteriën kunnen herstellen zodra het medicijn is verdwenen. U wilt een verlengde afgifte van het medicijn, zodat bacteriën constant worden geraakt met grote hoeveelheden medicijn totdat ze zijn uitgeroeid, ', zegt Radovic-Moreno.

Jonge Jik Kwon, universitair hoofddocent chemische technologie en materiaalkunde aan de Universiteit van Californië in Irvine, zegt dat de nieuwe nanodeeltjes goed zijn ontworpen en een grote potentiële impact kunnen hebben bij de behandeling van infectieziekten, vooral in ontwikkelingslanden. "De meeste nanotechnologie is gericht op de levering of beeldvorming van kankermedicijnen; niet veel mensen hebben interesse getoond in het gebruik van een nanotechnologie-aanpak voor infectieziekten, " zegt Kwon, die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam.

Hoewel verdere ontwikkeling nodig is, de onderzoekers hopen dat de hoge doses die door hun deeltjes worden afgegeven, uiteindelijk kunnen helpen de bacteriële resistentie te overwinnen. “Als bacteriën resistent zijn tegen medicijnen, het betekent niet dat ze niet meer reageren, het betekent dat ze reageren, maar alleen bij hogere concentraties. En de reden dat u deze klinisch niet kunt bereiken, is omdat antibiotica soms giftig zijn, of ze blijven niet lang genoeg op die infectieplaats, ', zegt Radovic-Moreno.

Een mogelijke uitdaging:er zijn ook negatief geladen weefselcellen en eiwitten op infectieplaatsen die kunnen concurreren met bacteriën bij het binden aan nanodeeltjes en mogelijk voorkomen dat ze zich aan bacteriën binden. De onderzoekers onderzoeken in hoeverre dit de effectiviteit van hun nanodeeltjesafgifte kan beperken. Ze voeren ook dierproeven uit om te bepalen of de deeltjes pH-gevoelig in het lichaam blijven en lang genoeg circuleren om hun doelen te bereiken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.