Nanocząstki aktywowane ultradźwiękami eliminują bakterie ukryte w biofilmie

Naukowcy opracowali nanocząstki działające jak inteligentne kapsułki dostarczające lek – transportują one antybiotyk bezpośrednio do miejsca infekcji bakteryjnej i uwalniają go dopiero po aktywacji za pomocą łagodnych ultradźwięków.

Dostarczanie antybiotyków lokalnie, bezpośrednio do ogniska zakażenia, ma duże znaczenie kliniczne. Leczenie ogólnoustrojowe wysokimi dawkami leków zwiększa bowiem ryzyko rozwoju oporności bakterii. Nanocząstki umożliwiają transport substancji czynnej bezpośrednio do zakażonej tkanki, zapewniając terapię miejscową przy użyciu niewielkiej ilości antybiotyku. Takie podejście może ograniczyć ryzyko narastania antybiotykooporności oraz zmniejszyć działania niepożądane związane z terapią systemową.

Wyniki badań opublikowane w czasopiśmie JACS Au przedstawiają opracowanie nanocząstek zdolnych do transportu antybiotyku – rifampicyny – oraz analizę ich aktywności przeciwbakteryjnej po zastosowaniu ultradźwięków. Rifampicyna jest szeroko stosowanym antybiotykiem wykorzystywanym m.in. w leczeniu gruźlicy oraz zakażeń wywołanych przez Staphylococcus aureus, w tym infekcji związanych z implantami medycznymi.

Biofilm – główna bariera w leczeniu zakażeń bakteryjnych

Wiele zakażeń bakteryjnych prowadzi do powstawania biofilmów – złożonych struktur zbudowanych z bakterii i macierzy zewnątrzkomórkowej, które chronią mikroorganizmy przed działaniem czynników środowiskowych oraz leków przeciwbakteryjnych. Biofilmy są jedną z głównych przyczyn przewlekłych i trudnych do leczenia infekcji.

Antybiotyki mają często ograniczoną skuteczność wobec biofilmów, ponieważ ich cząsteczki nie przenikają łatwo przez gęstą, polisacharydową strukturę tych formacji. Szczególnie problematyczne są antybiotyki hydrofobowe, takie jak rifampicyna, które słabo dyfundują w wilgotnym, żelowym środowisku biofilmu.

Ultradźwięki jako mechanizm aktywacji terapii

Badania wykazały, że ultradźwięki o niskiej częstotliwości pełnią podwójną funkcję terapeutyczną. Po pierwsze, ułatwiają nanocząstkom penetrację w głąb struktury biofilmu. Po drugie, powodują powstawanie mikroskopijnych pęcherzyków (zjawisko kawitacji), które mechanicznie uwalniają antybiotyk z wnętrza nanocząstek w odpowiednim miejscu i czasie.

Profesor Zoe Pikramenou z University of Birmingham podkreśla, że opracowane nanocząstki uwalniają lek wyłącznie po aktywacji ultradźwiękami, co znacząco zwiększa skuteczność eliminacji bakterii w biofilmach w porównaniu z samą rifampicyną. Jednocześnie cząstki wykazały dobrą biokompatybilność oraz niską toksyczność wobec ludzkich komórek nabłonkowych, co sugeruje ich potencjalne zastosowanie w przyszłych terapiach medycznych.

Znacznie głębsza penetracja biofilmu

W eksperymentach porównano skuteczność różnych strategii terapeutycznych wobec biofilmu Staphylococcus aureus:

• nanocząstki w połączeniu z ultradźwiękami doprowadziły do eliminacji około 90% biofilmu,
• zastosowanie nanocząstek bez ultradźwięków powodowało jedynie około 20% redukcję biofilmu,
• terapia wolną rifampicyną w połączeniu z ultradźwiękami prowadziła do zaledwie około 10% redukcji biofilmu.

Różnice te wynikały przede wszystkim z głębokości penetracji biofilmu. Bez zastosowania ultradźwięków nanocząstki docierały jedynie do warstwy o grubości około 1,6 μm, natomiast po aktywacji ultradźwiękowej osiągały głębokość około 5,6 μm, co odpowiada niemal całej grubości biofilmu.

Budowa nanocząstek transportujących antybiotyk

Opracowane nanocząstki to mikroskopijne cząstki krzemionki zaprojektowane w sposób umożliwiający stabilne przenoszenie antybiotyku w środowisku biologicznym. Ich konstrukcja obejmuje:

• hydrofobowy rdzeń, który umożliwia magazynowanie rifampicyny,
• hydrofilową powłokę zewnętrzną, zapewniającą stabilność w środowisku wodnym organizmu.

Aby dokładnie prześledzić zachowanie cząstek w biofilmach, naukowcy opracowali również fluorescencyjną wersję nanocząstek poprzez dodanie barwnika. Pozwoliło to na wizualizację ich dystrybucji oraz określenie głębokości penetracji w strukturze biofilmu.

Możliwe zastosowania kliniczne

Zakażenia biofilmowe stanowią istotny problem kliniczny, szczególnie w kontekście:

• przewlekłych ran,
• implantów ortopedycznych,
• cewników oraz innych wyrobów medycznych,
• infekcji związanych z protezami i urządzeniami wszczepialnymi.

Dr Sarah Kuehne z Nottingham Trent University podkreśla, że zastosowanie takich nanocząstek może umożliwić stosowanie znacznie niższych dawek antybiotyków. W konsekwencji może to ograniczyć rozwój oporności bakteryjnej oraz zmniejszyć ryzyko działań niepożądanych związanych z leczeniem.

Badania prowadził interdyscyplinarny zespół młodych naukowców specjalizujących się w nanotechnologii, ultradźwiękach, mikrobiologii oraz charakterystyce cząstek w stanie stałym. Projekt został sfinansowany przez Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) w ramach grantu SONATA, którym kierowali Zoe Pikramenou, Damien Walmsley oraz Sarah Kuehne.

Zespół profesor Zoe Pikramenou w University of Birmingham prowadzi szeroki program badań nad nanochemią i nanocząstkami aktywowanymi światłem, które mogą znaleźć zastosowanie zarówno w diagnostyce biomedycznej, jak i w terapiach miejscowych.

Źródło: JACS Au, Ultrasound-Responsive Nanoparticles Enable Hydrophobic Antibiotic Release and Deep Penetration for Biofilm Treatment
DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.5c01711