Onderzoekers van IBM en het Institute of Bioengineering and Nanotechnology hebben een doorbraak in de nanogeneeskunde bereikt, waarbij ze gewone plastic materialen zoals polyethyleentereftalaat (PET) hebben omgezet in niet-toxische en biocompatibele materialen die specifiek zijn ontworpen om schimmelinfecties aan te pakken en aan te vallen. Dit onderzoek is vandaag gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift, Natuurcommunicatie .

Jaarlijks worden meer dan een miljard mensen getroffen door schimmelinfecties, variërend in ernst van actuele huidaandoeningen zoals voetschimmel tot levensbedreigende schimmelbloedinfecties. De kans op infectie is groter wanneer het immuunsysteem van het lichaam wordt aangetast door een ziekte zoals hiv/aids, kanker of bij behandeling met antibiotica.

Er is een dringende behoefte om efficiënte en ziektespecifieke antischimmelmiddelen te ontwikkelen om dit groeiende probleem van resistentie tegen geneesmiddelen te verminderen. Traditionele antischimmelmiddelen moeten de cel binnendringen om de infectie aan te vallen, maar hebben moeite om de membraanwand van de schimmel aan te vallen en te penetreren. Ook, aangezien schimmels metabolisch vergelijkbaar zijn met zoogdiercellen, bestaande medicijnen kunnen moeite hebben om onderscheid te maken tussen gezonde en geïnfecteerde cellen.

Dit erkennend, IBM-wetenschappers pasten een organisch katalytisch proces toe om de transformatie van PET te vergemakkelijken, of plastic afval uit een fles, in geheel nieuwe moleculen die kunnen worden omgezet in antischimmelmiddelen. Dit is belangrijk omdat plastic flessen doorgaans worden gerecycled door mechanische aarding en meestal alleen kunnen worden hergebruikt in secundaire producten zoals kleding, vloerbedekking of speeltoestellen.

Hoe het werkt

Deze nieuwe antischimmelmiddelen assembleren zichzelf via een waterstofbindingsproces, als moleculair klittenband op een polymeerachtige manier aan elkaar kleven om nanovezels te vormen. Dit is belangrijk omdat deze antischimmelmiddelen alleen werkzaam zijn als therapeutisch middel in de vezel- of polymeerachtige vorm.

Deze nieuwe nanovezel heeft een positieve lading en kan zich selectief richten op en hechten aan alleen de negatief geladen schimmelmembranen op basis van elektrostatische interactie. Het breekt dan door en vernietigt de celmembraanwanden van schimmels, voorkomen dat het resistentie ontwikkelt.

Volgens dr. Yi Yan Yang, Groepsleider, IBN, "Het vermogen van deze moleculen om zichzelf te assembleren tot nanovezels is belangrijk omdat, in tegenstelling tot discrete moleculen, vezels verhogen de lokale concentratie van kationische ladingen en samengestelde massa. Dit vergemakkelijkt de targeting van het schimmelmembraan en de daaropvolgende lysis, waardoor de schimmels in lage concentraties kunnen worden vernietigd."

Gebruikmakend van de rekencapaciteiten van IBM Research, de onderzoekers simuleerden de schimmeldodende samenstellingen, voorspellen welke structurele modificaties de gewenste therapeutische werkzaamheid zouden creëren.

"Naarmate computationele voorspellende methodologieën doorgaan, we kunnen beginnen met het opstellen van basisregels voor zelfassemblage om complexe therapieën te ontwerpen om infecties te bestrijden, evenals de effectieve inkapseling, transport en levering van een breed scala aan ladingen naar hun beoogde zieke locaties, " zei dr. James Hedrick, Geavanceerde wetenschapper organische materialen, IBM Research-Almaden.

De minimale remmende concentratie (MIC) van de nanovezels, dat is de laagste concentratie die de zichtbare groei van schimmels remt, vertoonden een sterke antischimmelactiviteit tegen meerdere soorten schimmelinfecties. In verdere studies uitgevoerd door IBN uit Singapore, testing showed the nanofibers eradicated more than 99.9% of C. albicans, a fungal infection causing the third most common blood stream infection in the United States, after a single hour of incubation and indicated no resistance after 11 treatments. Conventional antifungal drugs were only able to suppress additional fungal growth while the infection exhibited drug resistance after six treatments

Additional findings of this research indicated the nanofibers effectively dispersed fungal biofilms after one-time treatment while conventional antifungal drugs were not effective against biofilms.

The in vivo antifungal activity of the nanofibers was also evaluated in a mouse model using a contact lens-associated C. albicans biofilm infection. The nanofibers significantly decreased the number of fungi, hindered new fungal structure growth in the cornea and reduced the severity of existing eye inflammation. These experiments also showed mammalian cells survived long after incubation with the nanofibers, indicating excellent in vitro biocompatibility. In aanvulling, no significant tissue erosion is observed in the mouse cornea after topical application of the nanofibers.

"A key focus of IBN's nanomedicine research efforts is the development of novel polymers and materials for more effective treatment and prevention of various diseases, " said Professor Jackie Y. Ying, IBN Executive Director. "Our latest breakthrough with IBM allows us to specifically target and eradicate drug-resistant and drug-sensitive fungi strains and fungal biofilms, without harming surrounding healthy cells."