Er worden instrumenten ontworpen die kleiner zijn dan een mensenhaar om antibioticaresistente bacteriën uit te roeien en kanker te bestrijden.

Dr. Ana Santos wordt emotioneel als ze beschrijft wat er enkele jaren geleden is gebeurd:haar grootvader en een oom stierven aan urineweginfecties en een goede vriendin bezweek nadat een accidentele snee besmet raakte.

Ze was geschokt. In een tijdperk van antibiotica hadden zulke tegenslagen niet mogen gebeuren.

Opkomst en ondergang van antibiotica

“Mijn familieleden stierven aan infecties”, zegt Santos, microbioloog bij het Health Research Institute of the Balearic Islands, oftewel IdISBa, in Spanje. "Ik begon te beseffen dat we terug in de tijd gaan:onze antibiotica zijn niet langer effectief."

Dit is een mondiale uitdaging. Volgens The Lancet werden in 2019 bijna 5 miljoen sterfgevallen wereldwijd in verband gebracht met antibioticaresistente insecten. medisch tijdschrift.

Zes soorten resistente bacteriën veroorzaken de meeste schade. De Wereldgezondheidsorganisatie heeft gewaarschuwd dat medicijnresistente ziekten tegen 2050 direct tien miljoen sterfgevallen kunnen veroorzaken.

Santos heeft deel uitgemaakt van de strijd om zulke alarmerende cijfers te voorkomen:ze leidde een onderzoeksproject dat EU-financiering ontving om microscopisch kleine machines te ontwikkelen die resistente bacteriën kunnen doden. Het project, genaamd REBELLION, liep 39 maanden tot april 2023.

"Ik kwam dit concept tegen van moleculaire machines die in cellen boren", zei Santos. "We moeten buiten de gebaande paden gaan denken."

Alexander Fleming, een Schotse arts, ontdekte in 1928 op beroemde wijze het eerste echte antibioticum – penicilline – gemaakt door een soort schimmel. Vervolgens werden andere antibiotica gevonden, vaak gemaakt door bodemmicroben, waardoor miljoenen levens werden gered.

Maar in wat in feite een wapenwedloop was, ontwikkelden micro-organismen verschillende verdedigingsmechanismen om antibiotica te overleven.

Bacteriënboorders

Toen haar twee familieleden en vriendin omkwamen door infecties, bestudeerde Santos hoe bacteriën leven en sterven onder omstandigheden van honger. Ze besloot toen haar onderzoeksfocus te veranderen.

"Ik voelde me gefrustreerd omdat ik dit urgente probleem zag en er niets aan deed", zei Santos. "Mensen sterven steeds vaker aan infecties die resistent zijn tegen antibiotica."

Ze zocht onderzoekers op dit gebied op om een ​​handje te helpen en werkte samen met een groep in Spanje om te testen hoe kleine moleculaire machines bacteriën doorprikken. De machines bestaan ​​uit twee delen van een molecuul die met elkaar verbonden zijn door een chemische binding; als er licht op valt, begint het bovenste gedeelte snel te draaien als een boormachine.

Antibiotica hechten zich vaak aan een specifiek bacterieel eiwit, net zoals een sleutel in een slot past. Het probleem is dat bacteriën een fysieke verandering kunnen ondergaan, waardoor de sleutel niet meer in het slot past. De antibiotica worden buiten gelaten.

Het idee achter de nanomachines is dat bacteriën ze moeilijker kunnen ontwijken.

Santos heeft deze machines voor het doden van insecten naar voren gebracht als onderdeel van REBELLION.

Superbug-moordenaar

Hun twee delen zijn kleiner dan 100 nanometer, dus 1000ste van de breedte van een mensenhaar, waardoor ze in feite minnows worden naast grotere bacteriën.

Santos bracht vele miljoenen van haar nanomachines vrij in groepjes bacteriën in haar laboratorium. De machines bonden zich aan de bacteriën en begonnen, eenmaal blootgesteld aan licht, erin te draaien en erin te boren.

Santos was jubelend over wat ze door haar microscoop waarnam:bacteriecellen vol kleine gaatjes.

Verdere experimenten toonden aan dat de kleine boortjes een reeks soorten kunnen doden die vaak mensen infecteren.

Toen probeerde ze iets anders:minder machines tegen de methicilline-resistente Staphylococcus aureus, of MRSA, een beruchte superbacterie die vooral dodelijk is in ziekenhuizen. Het hebben van een lagere concentratie aan machines zou het risico op schade aan menselijke cellen verminderen.

De instrumenten doorboorden de MRSA met voldoende gaten, zodat deze opnieuw kwetsbaar werd voor antibiotica.

"Het is erg moeilijk voor bacteriën om resistentie tegen deze actie te ontwikkelen," zei Santos. "Het is alsof je bommen op ze laat vallen."

Wondengenezer

Om dit nieuwe wapen tegen resistente bacteriën in te zetten, zullen de onderzoekers ervoor moeten zorgen dat de nanomachines veilig kunnen worden gebruikt bij patiënten. Dat betekent dat je er zeker van moet zijn dat bacteriën in plaats van menselijke cellen het doelwit zijn.

Een van de eerste redenen voor optimisme is dat de nanomachines positief geladen zijn. Als gevolg daarvan hechten ze zich liever aan negatief geladen bacteriën dan aan menselijke cellen, die neutraler zijn.

In de experimenten van Santos veroorzaakten de nanomachines geen schade aan wormen wanneer ze erin werden geïnjecteerd. Ze wil deze strategie graag dichter bij de patiënten brengen en bereidt zich voor op de volgende stap:veiligheidstests op muizen.

Als dit lukt, kunnen de eerste behandelde patiënten patiënten zijn met wondinfecties, vooral mensen met ernstige brandwonden, die vatbaar zijn voor infecties.

De nanomachines kunnen op hun huid worden geplaatst en door licht worden aangezet om in bacteriën te boren die de wond infecteren.

Europese topteam

Nanomachines hebben een geschiedenis die in de schijnwerpers staat.

Professor Ben Feringa van de Rijksuniversiteit Groningen won in 2016 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor nanomachines met moleculaire motoren die kunnen worden ingeschakeld door ultraviolet licht.

De moleculen veranderen van vorm wanneer ze door licht worden getroffen en kunnen daardoor worden gebruikt als schakelaars of triggers. Feringa bouwde zelfs een nano-auto die uit één molecuul bestond en die langs een koperoppervlak kon bewegen.

Hij helpt bij het toezicht op een door de EU gefinancierd onderzoeksproject dat beginnende wetenschappers opleidt in moleculaire machines. Het project, genaamd BIOMOLMACS, loopt vierenhalf jaar en loopt tot en met juni 2024.

Hoewel ze de ziekenhuizen nog moeten bereiken, hebben nanomachines het potentieel om kankerpatiënten te behandelen op een manier die wetenschappers en artsen enthousiast maakt. De huidige kankermedicijnen veroorzaken vaak bijwerkingen zoals haarverlies, misselijkheid, vermoeidheid of zwakte van het immuunsysteem. Dit komt omdat de medicijnen gezonde cellen van omstanders kunnen verminken.

Een toekomstscenario zou kunnen bestaan ​​uit nanomachines die celdodende medicijnen precies op de kanker van een patiënt afleveren, en zich misschien in een tumor ingraven.

Professor Maria Vicent bij de Valencia Biomedical Research Foundation in Spanje is een BIOMOLMACS-supervisor die kleine dragers ontwerpt om medicijnen af ​​te leveren aan borstkankercellen.

Een andere supervisor is professor Jan van Hest aan de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland. Hij construeert materialen die kunnen worden gebruikt om vaccins of nanomedicijnen in cellen te vervoeren, waaronder kankersoorten.

Van Hest, Vicent en Feringa hebben andere vooraanstaande onderzoekers van elders in Europa die hun eigen expertise inbrengen.

Professor Remzi Becer van de Universiteit van Warwick in het Verenigd Koninkrijk maakt polymere nanodeeltjes om toekomstige gentherapieën op precieze locaties in patiënten af ​​te leveren. De deeltjes zijn vaak gecoate suikers omdat ze kunnen fungeren als sleutel voor het openen van cellen in het lichaam.

"Deze synthetische suikers kunnen interageren met celmembranen en kunnen het deeltje een sleutel geven om de deur te openen en een gen in de cel te krijgen", zegt Becer, die twee beginnende wetenschappers begeleidt en het hele project coördineert met 15 promovendi. /P>

Ook in Groot-Brittannië werkt professor Robin Shattock van het Imperial College London aan lipide-nanodeeltjes, dit zijn kleine bolletjes gemaakt van vetten die veilig in de cellen kunnen komen. Lipide nanodeeltjes waren de echte doorbraak die nodig was voor COVID-19-vaccins.

Opkomend talent

De studenten van deze Europese toponderzoekers kunnen deel uitmaken van een nieuwe golf in de geneeskunde.

"De volgende grote verandering voor de farmaceutische industrie zal het trainen van onze genen zijn om kanker te voorkomen of te bestrijden", aldus Becer.

Hij zei dat BIOMOLMACS wetenschappers kan voorbereiden op een carrière bij sommige van de bedrijven die nanomachines ontwikkelen om dergelijke biologische therapieën aan specifieke organen toe te dienen.

Ondertussen hoopt Santos van REBELLION dat ook haar werk een verschil kan maken voor kankerpatiënten, wier behandelingen hen kwetsbaar kunnen maken voor bacteriële infecties.

"Mijn goede vriendin had kanker overwonnen, maar stierf daarna aan een infectie", zei ze. "Ik herinner me dat de dokter zei:'de bacterie is tegen alles resistent, we kunnen er niets aan doen.'

Haar doel is om te voorkomen dat artsen ooit zulke uitspraken moeten uiten.

Meer informatie:

• REBELLIE
• BIOMOLMACS

Journaalinformatie: De Lancet

Aangeboden door Horizon:het EU Research &Innovation Magazine