De Centers for Disease Control and Prevention schatten dat meer dan 2,8 miljoen Amerikanen elk jaar antibioticaresistente infecties ervaren; meer dan 35.000 sterven aan die infecties.

Om dit kritieke en wereldwijde volksgezondheidsprobleem aan te pakken, heeft een team van onderzoekers onder leiding van Hongjun (Henry) Liang, Ph.D., van het Texas Tech University Health Sciences Center (TTUHSC) afdeling celfysiologie en moleculaire biofysica, onlangs onderzocht of of geen reeks nieuwe nanodeeltjes kan enkele van de ziekteverwekkers doden die tot menselijke infectie leiden zonder gezonde cellen aan te tasten.

De studie, "Hydrofiele nanodeeltjes die bacteriën doden en zoogdiercellen sparen, onthullen de antibiotische rol van nanostructuren", werd op 11 januari gepubliceerd door Nature Communications .

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat hydrofobiciteit (het vermogen van een molecuul om water af te stoten) en hydrofiliciteit (het vermogen van een molecuul om water aan te trekken en op te lossen) cellen aantast; hoe hydrofober een stof is, des te ongunstiger de reactie die deze zal veroorzaken. Liang zei echter dat er geen kwantitatieve standaard is voor hoeveel hydrofobiciteit acceptabel is.

"Kortom, je kunt bacteriën doden als je de hydrofobiciteit verhoogt," zei Liang. "Maar het zal ook gezonde cellen doden, en dat willen we niet."

Voor hun onderzoek gebruikte het Liang-team nieuwe hydrofiele nanodeeltjes die bekend staan ​​als nanoantibiotica en die zijn ontwikkeld door het laboratorium van Liang. Structureel gezien lijken deze nieuwe nano-antibiotica op kleine harige bolletjes, elk samengesteld uit vele hydrofiele polymeerborstels die zijn geënt op silica-nanodeeltjes van verschillende groottes.

Deze synthetische verbindingen, die het laboratorium van Liang produceert, zijn ontworpen om bacteriën te doden via membraanverstoringen zoals antimicrobiële peptiden doen, maar door een andere manier van membraanremodellering die bacteriële membranen beschadigt en niet zoogdiercellen. Antimicrobiële peptiden zijn een diverse klasse van amfipathische moleculen (deels hydrofiel-deels hydrofoob), die van nature voorkomen en dienen als de eerste verdedigingslinie voor alle meercellige organismen. Het directe gebruik van antimicrobiële peptiden als antibiotica wordt beperkt door hun stabiliteit en toxiciteit.

Er zijn andere onderzoeken geweest waarin onderzoekers amfipathische moleculen op nanodeeltjes enten, en ook die doden bacteriën. Liang zei echter dat het belangrijkste probleem bij het gebruik van amfipathische moleculen is dat het erg moeilijk wordt om de juiste balans te vinden tussen hun hydrofobiciteit en hydrofiliciteit, zodat de toxiciteit van deze moleculen voor onze eigen cellen aanzienlijk wordt verminderd.

"In ons geval halen we die onzekerheid uit de vergelijking omdat we zijn begonnen met een hydrofiel polymeer," merkte Liang op. "De cytotoxiciteit van hydrofobe delen is geen probleem meer. Die hydrofiele polymeren op zichzelf, of de silica-nanodeeltjes alleen doden geen bacteriën; ze moeten op de nanostructuur worden geënt om bacteriën te kunnen doden. En dus, dit is de eerste belangrijke ontdekking."

Het Liang-team ontdekte ook dat de mate van antibiotische activiteit wordt beïnvloed door de grootte van de harige bollen, wat volgens Liang de tweede belangrijke ontdekking van dit onderzoek is. Die van 50 nanometer en lager blijken veel actiever te zijn dan die van meer dan 50 nanometer. Liang zei dat degenen die ongeveer 10 nanometer meten, het meest actief lijken te zijn. (Met behulp van synchrotron röntgenverstrooiing onder een kleine hoek en andere methoden is het Liang-team in staat om het moleculaire mechanisme van de grootte-afhankelijke antibiotische activiteit te interpreteren.)

Deze ontdekkingen zijn belangrijk omdat het gebruik van nano-antibiotica om bacteriën te doden alle bekende mechanismen van bacteriële resistentie omzeilt, tenzij bacteriën hun wegen voor het maken van celmembranen volledig vernieuwen, wat volgens Liang onwaarschijnlijk is.

"Het is ook bijna onmogelijk voor bacteriën om nieuwe resistentie tegen de nanoantibiotica te ontwikkelen", benadrukte Liang. "Bovendien verlicht deze ontdekking een blauwdruk voor de ontwikkeling van nieuwe antibiotica die bacteriën bij contact zouden doden, maar beminnelijk blijven voor mensen omdat ze worden geproduceerd met behulp van niet-toxische en milieuvriendelijke ingrediënten via nano-engineering." + Verder verkennen

Nieuw koperen oppervlak elimineert bacteriën in slechts twee minuten