Группа исследователей из отделения клеточной физиологии и молекулярной биофизики Научного центра здоровья Техасского технологического университета (TTUHSC), исследовала, могут ли недавно разработанные наночастицы убивать некоторые патогенные микроорганизмы, не затрагивая здоровые клетки.
Исследование "Гидрофильные наночастицы, убивающие бактерии и щадящие клетки млекопитающих, раскрывают антибиотическую роль наноструктур" было опубликовано в журнале Nature Communications.
Предыдущие работы показали, что гидрофобность (способность молекулы отталкивать воду) и гидрофильность (способность молекулы притягивать и растворяться в воде) влияют на клетки; чем более гидрофобным является вещество, тем более неблагоприятную реакцию оно вызывает. Однако, по словам руководителя исследования Генри Ляна, не существует количественного стандарта того, насколько гидрофобность является приемлемой. "В принципе, вы можете убить бактерии, если увеличите гидрофобность", - объясняет Лян. "Но это также приведет к гибели здоровых клеток, а мы этого не хотим".
Для своего исследования сотрудники группы Ляна использовали новые гидрофильные наночастицы, так называемые наноантибиотики. Структурно эти новые наноантибиотики напоминают крошечные ворсистые сферы, каждая из которых состоит из множества гидрофильных полимерных щеток, прикрепленных к наночастицам диоксида кремния разного размера.
Эти синтетические соединения, которые производит лаборатория Ляна, предназначены для уничтожения бактерий через разрушение мембран, как это делают антимикробные пептиды, но с помощью другого способа ремоделирования мембран, который повреждает мембраны бактерий, а не клеток млекопитающих. Антимикробные пептиды - это разнообразный класс амфипатических молекул (частично гидрофильных и частично гидрофобных), которые встречаются в природе и служат первой линией обороны для всех многоклеточных организмов. Прямое использование антимикробных пептидов в качестве антибиотиков ограничено их стабильностью и токсичностью.
Были и другие исследования, в которых ученые присоединяли амфипатические молекулы к наночастицам, и они тоже убивали бактерии. Однако, по словам Ляна, основная проблема при использовании амфипатических молекул заключается в том, что становится очень трудно найти правильный баланс между их гидрофобностью и гидрофильностью, чтобы токсичность этих молекул для наших собственных клеток была значительно снижена.
"В нашем случае мы устраняем эту неопределенность из уравнения, потому что мы начали с гидрофильного полимера", - отметил Лян. "Цитотоксичность гидрофобных молекул больше не вызывает беспокойства. Сами по себе эти гидрофильные полимеры или наночастицы диоксида кремния не убивают бактерии; для того чтобы они могли убивать бактерии, их нужно присоединить к наноструктуре. Так что это первое важное открытие".
Группа Ляна также обнаружила, что на степень активности антибиотиков влияет размер сфер, что, по словам Ляна, является вторым важным открытием этого исследования. Сферы размером 50 нанометров и меньше гораздо более активны, чем те, размер которых превышает 50 нанометров. По словам Ляна, наиболее активными являются сферы размером около 10 нанометров. (Используя синхротронное малоугловое рентгеновское рассеяние и другие методы, специалисты могут интерпретировать молекулярный механизм антибиотической активности в зависимости от размера).
Эти открытия важны, поскольку использование наноантибиотиков для уничтожения бактерий позволяет обойти все известные механизмы бактериальной резистентности, если только бактерии полностью не изменят свои пути создания клеточных мембран, что, по словам Ляна, маловероятно.
"Также практически невозможно, чтобы бактерии выработали новую резистентность против наноантибиотиков", - подчеркнул Лян. "Более того, это исследование открывает путь к разработке новых антибиотиков, которые будут убивать бактерии при контакте с ними, но при этом останутся безопасными для человека, поскольку будут производиться из нетоксичных и экологически чистых ингредиентов с помощью наноинженерии".
