Растущее население планеты, к сожалению, порождает растущую резистентность к существующим антибиотикам - угрозу, которая наталкивается на недостаточное финансирование и сокращение стимулов, поскольку коммерческие мотивации для разработки новых антибиотиков падают.
В новом исследовании, проведенном учеными из Женской больницы Бригама, решается эта растущая проблема разработки антибиотиков с помощью нового междисциплинарного подхода к созданию надежной библиотеки антибиотиков, генерируемой компьютерными программами, и выявлению эффективного антибиотика для целевого использования в матрице костного цемента. Этот подход потенциально может быть использован для лечения костных инфекций - распространенного осложнения после хирургических ортопедических операций. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Biomedical Engineering.
"В настоящее время Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) США одобрило только костные цементы с антибиотиками, изначально не предназначенными для костной ткани", - говорит Хэ Линь Джанг, главный исследователь лаборатории по разработке передовых биоматериалов и биотехнологий. "Помимо того, что эти антибиотики не являются специфичными для костной ткани, к ним возникла резистентность. Мы должны создать новое поколение антибиотиков, оптимизированных для удовлетворения этой возникающей потребности".
Эта растущая борьба с резистентностью к антибиотикам сочетается с аналогичным ростом стареющего населения, которому в настоящее время требуется больше ортопедических процедур, чем когда-либо. Такие распространенные процедуры, как замена коленного и тазобедренного суставов, могут привести к бактериальной инфекции, например, стафилококковой, которая в настоящее время лечится с помощью антибиотиков системного действия. Системное воздействие антибиотиков не направлено точно на инфекцию, поэтому требуются огромные дозы, что приводит к нежелательным последствиям в виде лекарственной резистентности и уничтожения полезной микробиоты. Чтобы решить эту растущую проблему, исследователи поставили перед собой цель создать местно доставляемую и мощную комбинацию антибиотика и костного цемента.
Для разработки нового антибиотика для специфической местной доставки посредством матрицы костного цемента использовался костный цемент из полиметилметакрилата (ПММА) - общепринятый золотой стандарт FDA. Авторы отобрали молекулы для разработки антибиотика и провели скрининг на чувствительные к препаратам и резистентные к ним бактерии в доклинической модели. Наконец, исследователи сравнили клинически используемый костный цемент ПММА и новый костный цемент ПММА с антибиотиком, используя модель повреждения большеберцовой кости, инфицированного стафилококком.
Исследователи точно определили антибиотик VCD-077, изучив его активность и эффективность в клетках и на животных моделях. VCD-077 не только продемонстрировал желаемую кинетику высвобождения лекарства, не влияя на стабильность костного цемента ПММА, но и показал высокую эффективность против широкого спектра резистентных к препаратам бактерий и замедлил развитие будущей резистентности. Фактически, костный цемент из ПММА, нагруженный VCD-077, показал большую эффективность, чем все используемые в настоящее время костные цементы с антибиотиками, против стафилококковых костных инфекций в крысиной модели.
До клинического применения команда должна решить две основные проблемы: возможные различия между крысиной моделью и человеком, а также необходимые исследования токсичности. Однако, отмечают исследователи, будущее у тканеспецифического, локализованного лечения, такого как минимально инвазивная инъекция костного цемента с антибиотиком, большое. Новаторское применение командой компьютерной инженерии для поиска молекул и оптимизации дизайна антибиотиков имело огромный успех, что говорит о потенциале компьютерного моделирования и технологии искусственного интеллекта для рационализации разработки препаратов.
"Будущее за сочетанием искусственного интеллекта и поиска лекарственных препаратов, чтобы сделать разработку новых антибиотиков более эффективным и экономичным, чем когда-либо прежде. Междисциплинарность в нашем подходе и специфичность в разработке новых препаратов действительно приведут к появлению новой парадигмы медицинской инженерии", - отметил Джанг. "Лечение может становиться все сложнее, бактерии могут становиться все изощреннее, но мы, биомедицинские инженеры, тоже становимся все изощреннее".
