Maszyny molekularne zwalczają infekcje
Odkrycie i rozwój antybiotyków to ważny element historii walki z chorobami zakaźnymi. Jednak powszechne i masowe stosowanie tych leków w praktyce klinicznej doprowadziło do pojawienia się antybiotykooporności, która jest jednym z najważniejszych wyzwań dla medycyny XXI wieku. Obecnie oporność na antybiotyki każdego roku prowadzi do ponad 1,5 miliona zgonów na całym świecie i generuje olbrzymie wydatki na opiekę zdrowotną.
Nanomateriały aktywowane światłem celują w bakterie
Przemysł farmaceutyczny nie prowadzi obecnie wielu badań klinicznych nowych antybiotyków o nowatorskim sposobie działania, co oznacza, że większość z nowych leków tego typu jest podatna na te same mechanizmy oporności, które zaobserwowano w przypadku wcześniej opracowanych cząsteczek. W związku z tym w ramach projektu REBELLION badacze opracowali syntetyczne nanocząsteczki, znane także jako maszyny molekularne, które mogą stanowić alternatywę dla antybiotyków. Prace zostały podjęte przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA). Skupiały się na aktywowanych światłem maszynach molekularnych, które mogą być kontrolowane z przestrzenną i czasową precyzją poprzez modulację intensywności i długości fali bodźca świetlnego. „Te maleńkie, ale potężne maszyny mogą zapewnić bardzo potrzebną przewagę w naszej walce z superbakteriami, zmieniając całkowicie sposób, w jaki zwalczamy infekcje w naszym szybko zmieniającym się środowisku”, podkreśla Ana L. Santos, stypendystka działania. Po aktywacji przez światło o określonej długości fali te maszyny molekularne ulegają szybkim zmianom konformacyjnym, które skutkują jednokierunkowym obrotem przywodzącym na myśl obrót wiertła. Ten wiercący ruch może napędzać cząsteczki, przepychając je przez dwuwarstwy lipidowe co prowadzi do apoptozy komórki. Wcześniej wykazano, że maszyny molekularne mogą także zostać wykorzystane do niszczenia komórek nowotworowych. Głównym ograniczeniem była potrzeba ich aktywacji światłem ultrafioletowym, które jest toksyczne dla ludzkich komórek. Santos ze współpracownikami pokonała tę przeszkodę, zmieniając strukturę chemiczną maszyn molekularnych tak, aby reagowały na bezpieczne, widzialne światło niebieskie, bez zmiany ich sposobu działania.
Niszczenie mikroorganizmów w ciągu kilku minut
W laboratorium maszyny molekularne były w stanie zabijać szeroką gamę patogenów bakteryjnych i grzybiczych, w tym szczepy oporne na antybiotyki, takie jak bakterie Staphylococcus aureus oporne na metycylinę. Niszczenie ich komórek następowało w ciągu kilku minut od aktywacji nanomaszyn światłem, co stanowi rezultat znacznie lepszy niż w przypadku konwencjonalnych środków przeciwdrobnoustrojowych. Aby wyeliminować bakterie, maszyny molekularne wiążą się z ich błonami i mechanicznie perforują je po aktywacji światłem, powodując zabójcze pęknięcie komórek. W przypadku grzybów maszyny molekularne gromadzą się w mitochondriach i przebijają się przez ich błony, sabotując produkcję energii i powodując śmierć komórki. „Co ciekawe, patogeny nie wydają się rozwijać oporności, co wskazuje, że fizyczne działanie przeciwdrobnoustrojowe maszyn molekularnych zasadniczo różni się od konwencjonalnych leków, które wiążą się z określonymi celami molekularnymi i przeciwko którym oporność może łatwo ewoluować przy zaledwie kilku mutacjach”, wyjaśnia Santos. Maszyny molekularne okazały się również niezwykle skuteczne w zwalczaniu opornych fenotypów, takich jak biofilmy i komórki przetrwalnikowe, czyli uśpione komórki, które mogą tolerować konwencjonalne środki przeciwdrobnoustrojowe zazwyczaj ukierunkowane na procesy metaboliczne związane z aktywnym wzrostem. Ponieważ maszyny molekularne niszczą błony drobnoustrojów w sposób mechaniczny w procesie, który nie zależy od aktywności metabolicznej komórki, mogą one skutecznie eliminować te trudne do leczenia fenotypy.
Łączenie maszyn molekularnych z innymi środkami
Maszyny molekularne mogą być również wykorzystywane w celu poprawy skuteczności konwencjonalnych środków przeciwdrobnoustrojowych. Ze względu na to, że przenikają one przez błony drobnoustrojów i osłabiają je, ułatwiają tym samym wchłanianie leków przeciwdrobnoustrojowych przez komórki. Dodatkowo hamują one pompy wypływu, które wydalają leki z komórki, w ten sposób zwiększając wewnątrzkomórkowe stężenie leku. „Choć konieczne są dalsze badania w celu optymalizacji zastosowania leczniczego i zapewnienia bezpieczeństwa, maszyny molekularne stanowią element nowego paradygmatu walki z chorobami zakaźnymi”, podsumowuje Santos.
Słowa kluczowe
REBELLION, antybiotyki, choroby zakaźne, antybiotykooporność, aktywacja światłem, maszyny molekularne, błona bakteryjna, mitochondria
