Forskare från IBM och Institute of Bioengineering and Nanotechnology har gjort ett nanomedicinskt genombrott där de omvandlat vanliga plastmaterial som polyetylentereftalat (PET) till icke-toxiska och biokompatibla material utformade för att specifikt rikta in sig på och attackera svampinfektioner. Denna forskning publicerades idag i den peer-reviewed journal, Naturkommunikation .
Över en miljard människor drabbas av svampinfektioner varje år, allt från aktuella hudåkommor som fotsvamp till livshotande svampinfektioner i blodet. Infektionen är mer sannolikt att inträffa när kroppens immunförsvar är nedsatt på grund av en sjukdom som HIV/AIDS, cancer eller när man får antibiotikabehandling.
Det finns ett akut behov av att utveckla effektiva och sjukdomsspecifika svampdödande medel för att mildra detta växande problem med läkemedelsresistens. Traditionella svampdödande läkemedel måste komma in i cellen för att attackera infektionen men har problem med att rikta in och tränga in i svampens membranvägg. Också, eftersom svampar metaboliskt liknar däggdjursceller, befintliga läkemedel kan ha problem med att skilja mellan friska och infekterade celler.
Att inse detta, IBM-forskare tillämpade en organisk katalytisk process för att underlätta omvandlingen av PET, eller släng plast från en flaska, till helt nya molekyler som kan omvandlas till svampdödande medel. Detta är viktigt eftersom plastflaskor vanligtvis återvinns genom mekanisk jordning och kan oftast återanvändas endast i sekundära produkter som kläder, mattor eller lekredskap.
Hur det fungerar
Dessa nya svampdödande medel sätts ihop själv genom en vätebindningsprocess, klibbar till varandra som molekylär kardborre på ett polymerliknande sätt för att bilda nanofibrer. Detta är viktigt eftersom dessa svampdödande medel endast är aktiva som terapeutiska medel i fiber- eller polymerliknande form.
Denna nya nanofiber bär en positiv laddning och kan selektivt rikta in sig på och fästa till endast de negativt laddade svampmembranen baserat på elektrostatisk interaktion. Det bryter sedan igenom och förstör svampens cellmembranväggar, förhindrar att den utvecklar resistens.
Enligt Dr Yi Yan Yang, Gruppledare, IBN, "Dessa molekylers förmåga att självmontera till nanofibrer är viktig eftersom till skillnad från diskreta molekyler, fibrer ökar den lokala koncentrationen av katjoniska laddningar och sammansatt massa. Detta underlättar inriktningen av svampmembranet och dess efterföljande lys, gör att svamparna kan förstöras i låga koncentrationer."
Utnyttja IBM Researchs beräkningsmöjligheter, forskarna simulerade de svampdödande enheterna, förutsäga vilka strukturella modifieringar som skulle skapa den önskade terapeutiska effekten.
"När beräkningsprediktiva metoder fortsätter att utvecklas, vi kan börja fastställa grundregler för självmontering för att utforma komplexa läkemedel för att bekämpa infektioner såväl som effektiv inkapsling, transport och leverans av en mängd olika laster till deras riktade sjuka platser, sade Dr James Hedrick, Avancerad organisk materialforskare, IBM Research - Almaden.
Minsta hämmande koncentration (MIC) av nanofibrerna, vilket är den lägsta koncentrationen som hämmar den synliga tillväxten av svampar, visade stark svampdödande aktivitet mot flera typer av svampinfektioner. I ytterligare studier utförda av Singapores IBN, testning visade att nanofibrerna utrotade mer än 99,9% av C. albicans, en svampinfektion som orsakar den tredje vanligaste blodströmsinfektionen i USA, efter en timmes inkubation och indikerade inget motstånd efter 11 behandlingar. Konventionella svampdödande läkemedel kunde endast undertrycka ytterligare svamptillväxt medan infektionen uppvisade läkemedelsresistens efter sex behandlingar
Ytterligare resultat av denna forskning indikerade att nanofibrerna effektivt spred svampbiofilmer efter engångsbehandling medan konventionella svampdödande läkemedel inte var effektiva mot biofilmer.
The in vivo antifungal activity of the nanofibers was also evaluated in a mouse model using a contact lens-associated C. albicans biofilm infection. The nanofibers significantly decreased the number of fungi, hindered new fungal structure growth in the cornea and reduced the severity of existing eye inflammation. These experiments also showed mammalian cells survived long after incubation with the nanofibers, indicating excellent in vitro biocompatibility. Dessutom, no significant tissue erosion is observed in the mouse cornea after topical application of the nanofibers.
"A key focus of IBN's nanomedicine research efforts is the development of novel polymers and materials for more effective treatment and prevention of various diseases, " said Professor Jackie Y. Ying, IBN Executive Director. "Our latest breakthrough with IBM allows us to specifically target and eradicate drug-resistant and drug-sensitive fungi strains and fungal biofilms, without harming surrounding healthy cells."
