Наномашините могат да бъдат ефективно средство в борбата с бактериите
(снимка: CC0 Public Domain)
В рамките на проекти, финансирани от ЕС, изследователи разработват инструменти, по-малки от човешки косъм, за унищожаване на резистентни към антибиотици бактерии и за борбата с рака.
от Антъни Кинг
Д-р Ана Сантос се вълнува, когато описва случилото се преди няколко години: дядо ѝ и един от чичовците ѝ умират от инфекция на пикочните пътища, а добър неин приятел починал, след като случайна порезна рана се инфектира.
Тя била потресена. В епохата на антибиотиците такива нещастия не би трябвало да се случват.
Възход и падение на антибиотиците
„Членове на семейството ми умираха от инфекции“, казва Сантос, микробиолог към Института за здравни изследвания на Балеарските острови (IdISBa), Испания. „Започнах да осъзнавам, че се връщаме назад във времето — антибиотиците ни вече не са действат.“
Това е глобално предизвикателство. Почти 5 милиона смъртни случая по целия свят са свързани с резистентните към антибиотици бактерии през 2019 г. според медицинското списание The Lancet.
Шест типа резистентни бактерии причиняват най-голямата вреда. Световната здравна организация предупреди, че резистентните към лекарства заболявания могат пряко да причинят смъртта на 10 милиона души до 2050 г.
Сантос е част от борбата да не се допуснат тези тревожни числа: тя ръководи изследователски проект, получил финансиране от ЕС за разработването на миниатюрни машини, които могат да унищожават резистентните бактерии. Наречен REBELLION, проектът се изпълнява 39 месеца, до април 2023 г.
„Открих концепцията за молекулярните машини, които проникват в клетките“, казва Сантос. „Налага се да започнем да мислим нестандартно.“
Александър Флеминг, шотландски лекар, през 1928 г. прави знаменитото си откритие на първият истински антибиотик — пеницилина — произведен от един вид мухъл. Други антибиотици, често извличани от почвени микроби, били открити след това, като спасили милиони животи.
В тази истинска надпревара във въоръжаването обаче микроорганизмите еволюират и изграждат разнообразни защитни механизми, за да устоят на антибиотиците.
Свредели за бактерии
Когато двамата ѝ роднини и приятелят ѝ губят живота си в резултат от инфекции, Сантос изучава как бактериите живеят и умират в условия на глад. След това тя решава да промени фокуса на изследванията си.
„Чувствах се обезсърчена, защото виждах този спешен проблем, а не правех нищо за него“, казва Сантос. „Все повече хора умират от инфекции, които са устойчиви на антибиотици.“
Тя потърсила изследователи в тази област, за да ѝ съдействат и започнала партньорство с група от Испания, за да тестват как миниатюрните молекулярни машини проникват в бактериите. Машините се състоят от две части на молекула, свързани с химична връзка; при наличието на светлина горната част започва да се върти бързо като дрелка.
Антибиотиците често се прилепват към конкретен бактериален протеин подобно на ключ, който отваря ключалка. Проблемът е, че бактериите могат да претърпят физическа промяна така, че ключът вече да не пасва на ключалката. Антибиотиците остават отвън.
Замисълът при наномашините е, че бактериите няма да могат да ги избягват лесно.
Сантос постига напредък с тези унищожителни за бактериите машини като част от проекта REBELLION.
Унищожители на полирезистентни бактерии
Двете им части са по-малки от 100 нанометра, т.е една хилядна част от ширината на човешки косъм — което ефективно ги прави джуджета в сравнение по-големите бактерии.
В лабораторията си Сантос пуска няколко милиона от наномашините си срещу скупчвания на бактерии. Машините се прилепват към бактериите и след пускането на светлина започват да се въртят и проникват с въртеливо движение в тях.
Сантос ликува от това, което наблюдава под микроскопа си: бактериални клетки, пронизани от миниатюрни дупчици.
По-нататъшните експерименти показват, че миниатюрните дрелки могат да унищожат набор от щамове, които най-често инфектират хората.
След това тя опитва нещо друго: по-малко на брой машини срещу резистентната към метицилин Staphylococcus aureus, или MRSA, известна полирезистентна бактерия, която е особено смъртоносна в болниците. По-ниската концентрация на машини ще намали риска от увреждане на човешките клетки.
Инструментите пробиват достатъчно дупчици в MRSA така, че отново става уязвима за антибиотиците.
„Бактериите могат много трудно да развият резистентност срещу това действие“, казва Сантос. „То прилича на пускането на бомби върху тях.“
Лечител на рани
За да разгърнат това ново оръжие срещу резистентните бактерии, изследователите ще трябва да осигурят безопасното използване на наномашините върху пациенти. Това означава да сме сигурни, че целта им са бактериите, а не човешките клетки.
Една ранна причина за оптимизъм е положителният заряд на наномашините. В резултат от това те предпочитат да се прикрепят към отрицателно заредените бактерии вместо към човешките клетки, които са по-неутрални.
В експериментите, проведени от Сантос, наномашините не увреждат червеи, когато бъдат инжектирани с тях. Амбицирана да приближи тази стратегия до пациентите, тя се подготвя за следващата стъпка: безопасни тестове върху мишки.
Ако бъдат успешни, първите лекувани пациенти ще бъдат тези с инфектирани рани — особено хора с тежки изгаряния, които са податливи на инфекция.
Наномашините могат да бъдат поставени върху кожата им и задействани от светлина, за да пронижат с въртене бактериите, които инфектират раната.
Водещ европейски екип
Наномашините не за пръв път попадат в светлината на прожекторите.
Професор Бен Феринга от Университета в Грьонинген, Нидерландия, спечели Нобелова награда за химия през 2016 г. за наномашини с молекулярни двигатели, които могат да бъдат включени с ултравиолетова светлина.
Молекулите променят формата си, когато бъдат изложени на светлина, ето защо могат да се използват като превключватели или пускови устройства. Феринга дори построява наноавтомобил, изграден от една молекула, който можел да се движи по медна повърхност.
Той помага в научното ръководство на финансиран от ЕС изследователски проект за обучение на учени в началния етап на кариерата си по молекулярни машини. Под името BIOMOLMACS, проектът продължава четири и половина години, до юни 2024 г.
Макар че тепърва предстои да достигнат до болниците, наномашините имат потенциала да лекуват раково болни пациенти по начини, които ентусиазират учените и лекарите. Използваните днес лекарства срещу рак често предизвикват странични ефекти, като косопад, гадене, умора или отслабване на имунната система. Това е така, защото лекарствата могат да увреждат здравите околни клетки.
Бъдещите сценарии биха могли да включват наномашини, които доставят умъртвяващи клетките лекарства точно в раковото образувание на пациента, може би дори дълбаещи във вътрешността на тумора.
Професор Мария Винсент от Фондацията за биомедицински изследвания във Валенсия, Испания, е научен ръководител на BIOMOLMACS. Тя разработва миниатюрни носители, които да доставят лекарствата до клетките на рака на гърдата.
Друг научен ръководител е професор Ян ван Хест от Технологичния университет в Айндховен, Нидерландия. Той конструира материали, които могат да се използват за пренасяне на ваксини или нанолекарства във вътрешността на клетките, в това число раковите.
Към ван Хест, Винсент и Феринга се присъединяват други водещи изследователи от цяла Европа, които допринасят със своите експертни знания.
Професор Ремзи Бекър от Университета в Уоруик, Обединеното кралство, създава полимерни наночастици за извършване на бъдещи генни терапии в точно определени места вътре в пациентите. Частиците често са обвити със захари, тъй като те могат да действат като ключове за отваряне на клетки в тялото.
„Тези синтетични захари могат да взаимодействат с клетъчните мембрани и да дадат на частицата ключ за отваряне на вратата и въвеждане на ген в клетката“, казва Бекър, който е и ментор на двама учени в началния етап на кариерата си, като координира целия проект с 15 докторанти.
Също в Обединеното кралство професор Робин Шеток от Имперския колеж в Лондон работи върху липидните наночастици — миниатюрни сфери, съставени от мазнини, които могат безопасно да проникват в клетките. Липидните наночастици бяха действителния пробив, необходим за ваксините за COVID-19.
Нови таланти
Студентите, работещи с тези европейски изследователи от най-високо ниво, могат да бъдат част от нова вълна в медицината.
„Следващата голяма промяна за фармацевтичната промишленост ще бъде възможността да обучаваме гените си да възпират рака или да се борят срещу него“, казва Бекър.
Според него BIOMOLMACS може да подготви учени за кариери в някои от компаниите, разработващи наномашини за извършване на биологични терапии на конкретни органи.
Междувременно Сантос от проекта REBELLION се надява, че работата ѝ също може да донесе полза за раково болните пациенти, чието лечение може да ги направи уязвими за бактериални инфекции.
„Мой добър приятел се пребори с рака, но почина от инфекция“, казва тя. „Помня, когато лекарят каза: „Бактерията е резистентна към всичко — нищо не можем да направим.“
Нейната цел е да не се налага повече лекарите да произнасят тези думи.
Изследванията в тази статия са финансирани от ЕС посредством действието „Мария Склодовска-Кюри“ (МСК). Възгледите на интервюираните лица не отразяват непременно позицията на Европейската комисия. Статията е публикувана за пръв път в Horizon, списанието за изследвания и иновации на ЕС.