Antibioticaresistentie is een groeiend probleem, vooral onder een type bacterie die is geclassificeerd als 'Gram-negatief'. Deze bacteriën hebben twee celmembranen, waardoor het moeilijker wordt voor medicijnen om de cellen binnen te dringen en te doden.

Onderzoekers van MIT en andere instellingen hopen nanotechnologie te gebruiken om meer gerichte behandelingen te ontwikkelen voor deze resistente insecten. In een nieuwe studie, ze melden dat een antimicrobieel peptide verpakt in een siliciumnanodeeltje het aantal bacteriën in de longen van muizen die besmet zijn met Pseudomonas aeruginosa drastisch verminderde, een ziekte die Gram-negatieve bacterie veroorzaakt die kan leiden tot longontsteking.

Deze aanpak, die ook kunnen worden aangepast om andere moeilijk te behandelen bacteriële infecties aan te pakken, zoals tuberculose, is gemodelleerd naar een strategie die de onderzoekers eerder hebben gebruikt om gerichte kankermedicijnen te leveren.

"Er zijn veel overeenkomsten in de leveringsuitdagingen. Bij infectie, zoals bij kanker, de naam van het spel is selectief iets doden, het gebruik van een medicijn dat mogelijke bijwerkingen heeft, " zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson hoogleraar gezondheidswetenschappen en technologie en elektrotechniek en computerwetenschappen en een lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en Institute for Medical Engineering and Science.

Bhatia is de senior auteur van de studie, die in het journaal verschijnt Geavanceerde materialen . De hoofdauteur is Ester Kwon, een onderzoeker aan het Koch Instituut. Andere auteurs zijn Matthew Skalak, een MIT-afgestudeerde en voormalig onderzoekstechnicus van het Koch Institute; Alessandro Bertucci, een Marie Curie Postdoctoraal Onderzoeker aan de Universiteit van Californië in San Diego; Gary Braun, een postdoc aan het Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute; Francesco Ricci, een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Rome Tor Vergata; Erkki Ruoslahti, een professor aan het Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute; en Michael Zeeman, een professor aan de UCSD.

Synergetische peptiden

Naarmate bacteriën steeds resistent worden tegen traditionele antibiotica, een alternatief dat sommige onderzoekers onderzoeken, zijn antimicrobiële peptiden - natuurlijk voorkomende defensieve eiwitten die veel soorten bacteriën kunnen doden door cellulaire doelen zoals membranen en eiwitten of cellulaire processen zoals eiwitsynthese te verstoren.

Een paar jaar geleden, Bhatia en haar collega's begonnen de mogelijkheid te onderzoeken om antimicrobiële peptiden gericht af te leveren met behulp van nanodeeltjes. Ze besloten ook om te proberen een antimicrobieel peptide te combineren met een ander peptide dat het medicijn zou helpen bacteriële membranen te passeren. Dit concept is gebaseerd op eerder werk dat suggereert dat deze "tandempeptiden" kankercellen effectief kunnen doden.

Voor het antimicrobiële peptide, de onderzoekers kozen voor een synthetisch bacterieel toxine genaamd KLAKAK. Ze hechtten dit toxine aan een verscheidenheid aan "smokkelende peptiden, " die interageren met bacteriële membranen. Van 25 geteste tandempeptiden, de beste bleek een combinatie te zijn van KLAKAK en een peptide genaamd lactoferrine, die 30 keer effectiever was in het doden van Pseudomonas aeruginosa dan de afzonderlijke peptiden op zichzelf. Het had ook minimale toxische effecten op menselijke cellen.

Om mogelijke bijwerkingen verder te minimaliseren, de onderzoekers verpakten de peptiden in silicium nanodeeltjes, die voorkomen dat de peptiden te snel worden vrijgegeven en weefsel beschadigen terwijl ze op weg zijn naar hun doelen. Voor deze studie is de onderzoekers brachten de deeltjes rechtstreeks in de luchtpijp, maar voor menselijk gebruik, ze zijn van plan een versie te ontwerpen die kan worden ingeademd.

Nadat de nanodeeltjes waren afgeleverd bij muizen met een agressieve bacteriële infectie, die muizen hadden ongeveer een miljoenste van het aantal bacteriën in hun longen als onbehandelde muizen, en ze overleefden langer. De onderzoekers ontdekten ook dat de peptiden stammen van medicijnresistente Pseudomonas konden doden die van patiënten waren genomen en in het laboratorium waren gekweekt.

Concepten aanpassen

Infectieziekten zijn een vrij nieuw onderzoeksgebied voor het laboratorium van Bhatia, die het grootste deel van de afgelopen 17 jaar heeft besteed aan de ontwikkeling van nanomaterialen voor de behandeling van kanker. Een paar jaar geleden, ze begon te werken aan een project gefinancierd door de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) om gerichte behandelingen te ontwikkelen voor infecties van de hersenen, wat leidde tot het nieuwe longinfectieproject.

"We hebben veel van dezelfde concepten uit ons kankerwerk aangepast, inclusief het stimuleren van de lokale concentratie van de lading en vervolgens de lading selectief laten interageren met het doelwit, wat nu een bacterie is in plaats van een tumor, ' zegt Bhatia.

Ze werkt nu aan het opnemen van een ander peptide dat zou helpen om antimicrobiële peptiden op de juiste plaats in het lichaam te richten. Een gerelateerd project omvat het gebruik van peptiden om bestaande antibiotica te helpen die Gram-positieve bacteriën doden om het dubbele membraan van Gram-negatieve bacteriën te passeren, waardoor ze die bacteriën ook kunnen doden.