18.01.2024. - Борьба с супербактериями с помощью наномашин

Борьба с супербактериями с помощью наномашин

Инструменты размером меньше человеческого волоса разрабатываются для уничтожения устойчивых к антибиотикам бактерий и борьбы с раком. Доктор Ана Сантос эмоционально описывает то, что произошло несколько лет назад: ее дедушка и дядя умерли от инфекций мочевыводящих путей, а хороший друг скончался после случайного пореза. Она была шокирована. В век антибиотиков такие несчастья не должны были случиться. «Члены моей семьи умирали от инфекций», — сказал Сантос, микробиолог из Научно-исследовательского института здравоохранения Балеарских островов (IdISBa) в Испании. «Я начал понимать, что мы возвращаемся в прошлое: наши антибиотики больше не эффективны».

Это глобальный вызов. По данным медицинского журнала The Lancet, в 2019 году почти 5 миллионов смертей во всем мире были связаны с бактериями, устойчивыми к антибиотикам. Наибольший вред наносят шесть типов устойчивых бактерий. Всемирная организация здравоохранения предупредила, что к 2050 году устойчивые к лекарствам заболевания могут стать прямой причиной смерти 10 миллионов человек. Сантос участвовала в борьбе с такими тревожными цифрами: она возглавляла исследовательский проект, получивший финансирование ЕС, по разработке микроскопических машин, способных убивать устойчивые бактерии. Проект под названием REBELLION продлился 39 месяцев до апреля 2023 года. «Я столкнулся с концепцией молекулярных машин, которые проникают в клетки», — сказал Сантос. «Мы должны начать мыслить нестандартно».

Александр Флеминг, шотландский врач, в 1928 году открыл первый настоящий антибиотик — пенициллин, вырабатываемый разновидностью плесени. Затем были найдены другие антибиотики, часто вырабатываемые почвенными микробами, которые спасли миллионы жизней. Но в ходе, по сути, гонки вооружений, микроорганизмы выработали различные механизмы защиты, чтобы выжить в условиях антибиотиков. Когда двое ее родственников и друг погибли от инфекций, Сантос изучала, как бактерии живут и умирают в условиях голода. Затем она решила сменить фокус своего исследования. «Я чувствовал разочарование, потому что видел эту неотложную проблему и ничего не делал для ее решения», — сказал Сантос. «Люди все чаще умирают от инфекций, устойчивых к антибиотикам».

Она обратилась за помощью к исследователям в этой области и стала сотрудничать с группой в Испании, чтобы проверить, как крошечные молекулярные машины уничтожают бактерии. Машины состоят из двух частей молекулы, связанных химической связью; при попадании света верхняя часть начинает быстро вращаться, как дрель. Антибиотики часто связываются с определенным бактериальным белком, подобно тому, как ключ вставляется в замок. Проблема в том, что бактерии могут претерпеть физические изменения, в результате которых ключ больше не подходит к замку. Антибиотики остаются снаружи. Идея наномашин заключается в том, что бактериям будет сложнее уклониться от них. Сантос продвигал эти машины для уничтожения насекомых как часть REBELLION. Их две части имеют размер менее 100 нанометров, что составляет тысячную долю ширины человеческого волоса, что фактически делает их мелкими частицами наряду с более крупными бактериями.

Сантос выпустила многие миллионы своих наномашин в виде скоплений бактерий в своей лаборатории. Машины связывались с бактериями и, оказавшись под воздействием света, начинали вращаться и сверлить их. Сантос была в восторге от того, что она наблюдала в свой микроскоп: клетки бактерий, пронизанные крошечными отверстиями. Дальнейшие эксперименты показали, что крошечные сверла могут уничтожать целый ряд штаммов, которые обычно заражают людей. Затем она попробовала что-то еще: меньше машин против метициллин-резистентного золотистого стафилококка, или MRSA, пресловутой супербактерии, которая особенно смертельна в больницах. Снижение концентрации машин уменьшит риск повреждения человеческих клеток. Инструменты проткнули MRSA достаточным количеством отверстий, чтобы он снова стал уязвимым для антибиотиков. «Бактериям очень трудно выработать устойчивость к этому действию», — сказал Сантос. «Это все равно что сбрасывать на них бомбы».

Чтобы применить это новое оружие против устойчивых бактерий, исследователям необходимо будет убедиться, что наномашины безопасны для использования на пациентах. Это означает, что нужно быть уверенным, что мишенью становятся бактерии, а не клетки человека. Одной из первых причин для оптимизма является то, что наномашины заряжены положительно. В результате они предпочитают прикрепляться к отрицательно заряженным бактериям, а не к клеткам человека, которые более нейтральны. В экспериментах Сантоса наномашины не причиняли вреда червям, если их вводить в них. Стремясь приблизить эту стратегию к пациентам, она готовится к следующему шагу: испытаниям безопасности на мышах. В случае успеха первыми пациентами, получившими лечение, могут стать пациенты с раневыми инфекциями, особенно люди с тяжелыми ожогами, которые склонны к инфекции. Наномашины можно будет разместить на коже и включить свет, чтобы проникнуть в бактерии, инфицирующие рану. История наномашин находится в центре внимания.

Профессор Бен Феринга из Гронингенского университета в Нидерландах получил Нобелевскую премию по химии в 2016 году за наномашины с молекулярными двигателями, которые можно включать ультрафиолетовым светом. Молекулы меняют форму под воздействием света и в результате могут использоваться в качестве переключателей или триггеров. Феринга даже построил наноавтомобиль, состоящий из одной молекулы, который мог двигаться по медной поверхности. Он помогает руководить финансируемым ЕС исследовательским проектом по обучению молодых ученых работе с молекулярными машинами. Проект под названием BIOMOLMACS продлится четыре с половиной года до июня 2024 года. Хотя наномашины еще не дошли до больниц, у них есть потенциал для лечения онкологических больных способами, которые волнуют ученых и врачей. Современные лекарства от рака часто вызывают побочные эффекты, такие как выпадение волос, тошнота, усталость или слабость иммунной системы. Это связано с тем, что лекарства могут повредить здоровые клетки-свидетели. Будущий сценарий может включать наномашины, доставляющие убивающие клетки лекарства точно в рак пациента, возможно, проникая внутрь любой опухоли.

Профессор Мария Висент из Фонда биомедицинских исследований Валенсии в Испании является руководителем BIOMOLMACS и разрабатывает крошечные носители для доставки лекарств к клеткам рака молочной железы. Другой научный руководитель — профессор Ян ван Хест из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах. Он конструирует материалы, которые можно использовать для доставки вакцин или нанолекарств внутрь клеток, в том числе раковых. Ван Хест, Висент и Феринга привлекли других ведущих исследователей из других стран Европы, которые поделились своим опытом. Профессор Ремзи Бесер из Уорикского университета в Великобритании создает полимерные наночастицы для доставки будущей генной терапии в точные места внутри пациентов. Частицы часто представляют собой сахар, покрытый оболочкой, поскольку они способны действовать как ключ к открытию клеток в организме. «Эти синтетические сахара могут взаимодействовать с клеточными мембранами и могут дать частице ключ к открытию двери и проникновению гена внутрь клетки», — сказал Бесер, который является наставником двух молодых ученых и координирует весь проект с 15 докторантами.

Также в Великобритании профессор Робин Шатток из Имперского колледжа Лондона работает над липидными наночастицами — крошечными сферами из жиров, которые могут безопасно проникать внутрь клеток. Липидные наночастицы стали настоящим прорывом, необходимым для создания вакцин против COVID-19. Студенты этих ведущих европейских исследователей могут стать частью новой волны в медицине. «Следующим большим изменением в фармацевтической промышленности станет обучение наших генов предотвращению рака или борьбе с ним», — сказал Бесер. Он сказал, что BIOMOLMACS может подготовить ученых к карьере в некоторых компаниях, разрабатывающих наномашины для доставки такой биологической терапии к конкретным органам. Тем временем Сантос из REBELLION надеется, что ее работа также может изменить ситуацию к больным раком, лечение которых может сделать их уязвимыми для бактериальных инфекций. «Моя хорошая подруга победила рак, но затем умерла от инфекции», - сказала она. «Я помню, как врач сказал: «Бактерия устойчива ко всему, и мы ничего не можем сделать». Ее цель — не дать врачам когда-либо произносить подобные строки.

Источник