Ежегодно от бактериальных инфекций умирает около 7,7 миллиона человек и они представляют постоянную угрозу общественному здравоохранению во всем мире.
В настоящее время доступно лишь ограниченное количество вакцин для профилактики бактериальных инфекций. Антибиотики остаются наиболее распространенными терапевтическими средствами, используемыми в клинической практике, и применяются не только для лечения обычных бактериальных инфекций, но и для профилактики послеоперационных бактериальных инфекций. К сожалению, большинство антибиотиков по-прежнему быстро выводятся из организма, обладают ограниченной проникающей способностью и недостаточной способностью воздействовать на организм in vivo. Для поддержания их эффективной концентрации в очаге инфекции антибиотики вводят с высокой интенсивностью и в высоких дозах, что постепенно приводит к возникновению резистентности бактерий. Повышенная резистентность требует интенсивного введения препарата, что, в свою очередь, ускоряет распространение резистентности. Несмотря на то, что были открыты новые антибиотики, скорость, с которой они выводятся на рынок и применяются у пациентов, слишком мала, чтобы справиться с проблемами, связанными с устойчивыми бактериальными инфекциями. Отсутствие профилактических мер, ограниченные возможности лечения, а также задержка с разработкой антибиотиков привели к острой потребности в эффективных и безопасных методах лечения бактериальных инфекций.
Продукты метаболизма, полученные из бактерий, были широко исследованы для эффективного и безопасного лечения бактериальных инфекций. Помимо наиболее известных антибактериальных пептидов, большой интерес также вызвали бактериальные внеклеточные везикулы (ВВ), которые секретируются бактериями. Эти BВ с липидными двухслойными наноструктурами способны переносить различные биологически активные молекулы от бактерий к организму хозяина. Как таковые, они считались важными посредниками коммуникации, ответственными за прогрессирование бактериальных инфекций и даже резистентность. Тем не менее, благодаря передовым технологиям, эти BВ также могут широко используются в качестве нанотехнологий для борьбы с бактериальными инфекциями.
По сравнению с обычными антибактериальными и антиадгезионными средствами, бактериальными вакцинами и адъювантами, а также наноносителями для лечения бактериальных инфекций, BВ обладают рядом преимуществ. Во-первых, BВ сами по себе являются биологически активными благодаря внутренним веществам, компонентам поверхности и наноструктурам липидного бислоя, которые они унаследовали от своих родительских бактерий. Во-вторых, производство BВ может масштабироваться благодаря быстрому размножению и процедурам культивирования зрелых бактерий. В-третьих, благодаря передовым генетическим, физическим и химико-технологическим подходам BВ могут быть изменены по желанию заказчика. Эти преимущества BВ открывают больше возможностей для удовлетворения различных потребностей при лечении различных бактериальных инфекций.Уже разработаны вакцины на основе ВB для профилактики менингококковых заболеваний группы В, вызываемых N. meningitidis, и ожидается, что в будущем все больше и больше BВ, разработанных для борьбы с бактериальными инфекциями, будут внедряться в практику.
Несмотря на эти преимущества BВ, все еще существует ряд проблем, которые необходимо решить, чтобы полностью раскрыть их терапевтический потенциал для лечения бактериальных инфекций. Прежде всего, несмотря на то, что биологически активные вещества BВ постепенно идентифицируются, большинство из них остаются неоднозначными, что приводит к неизвестному и неконтролируемому риску клинического применения. Благодаря высокопроизводительным омиксным технологиям уже создано несколько баз данных, включая Vesiclepedia, ExoCarta и EVAtlas, которые представляют собой компендиумы этих биомолекул в экзосомах. Тем не менее, аналогичная база данных, специализированная для BВ, по-прежнему отсутствует.
На основе быстро развивающегося мультиомического анализа, основанного на искусственном интеллекте, и машинно-ориентированных алгоритмов можно было бы систематически интегрировать геномику, протеомику и метаболомику BВ, что способствовало бы созданию базы данных BВ. Также существуют огромные различия в структуре и составе BВ, полученных из разных штаммов бактерий или даже из одного и того же бактериального штамма при различных условиях культивирования или методах выделения. Такая неоднородность BВ серьезно затрудняет их стабильную терапевтическую эффективность. Чтобы сбалансировать иммуностимулирующие возможности и биотоксичность ВB, необходима многоуровневая система количественной оценки, включающая детальный иммуноанализ наряду с системным мониторингом токсичности как in vitro, так и in vivo. Исследования токсичности на соответствующих моделях животных или длительное совместное культивирование с иммунными органоидами человека также могут дать представление о долгосрочной оценке безопасности BВ. Кроме того, в будущем можно будет прогнозировать иммуностимулирующий спектр и потенциальную биотоксичность ВВ с помощью быстро развивающегося машинного обучения на основе баз данных.
С появлением передовых технологий способы введения BВ также должны быть адаптированы в соответствии с различными локализациями бактериальных инфекций для достижения оптимальных терапевтических результатов. Например, BВ, разработанные в виде ингаляционных препаратов, больше подходят для лечения легочных инфекций, в то время как те, которые разработаны в виде микроигловых устройств, более предпочтительны для лечения раневых инфекций. Таким образом, помимо традиционных подходов генетической, физической и химической инженерии, для создания оптимизированных терапевтических методов следует также предложить и применять подходы материаловедческой инженерии, которые сочетают в себе множество стратегий функционализации. Интеграция методов искусственного интеллекта с разработкой BВ также может обеспечить возможность обойти барьеры, связанные с лечением бактериальных инфекций на основе BВ, включая эффективность введения, адресную доставку, стабильность и фармакокинетику in vivo, а также иммуногенность и безопасность. Поскольку эффективность методов искусственного интеллекта, основанных на глубоком и машинном обучении, зависит от качества данных, в будущем следует предложить нормативную базу и стандартизированные процедуры, гарантирующие достоверность и надежность собираемых данных. Предполагается, что эти интегрированные междисциплинарные науки и технологии позволят создать мощное нанотехнологическое оружие на основе BВ для борьбы с бактериальными инфекциями.
