National University of Singapore kemister har nyligen upptäckt att guld-silver (Au-Ag) nanopartiklar kan användas för att avbilda och ge samtidig behandling för bakteriella infektioner.

Den globala spridningen av multiresistenta bakterieinfektioner är ett stort hot mot folkhälsan. De har resulterat i betydande sjuklighet och dödlighet eftersom få antibakteriella medel är effektiva mot dem. Också, biofilmassocierade infektioner har framkommit som en annan medicinsk utmaning på grund av antibiotikans dåliga förmåga att tränga igenom de slemskikt (extracellulära polymera substanser) som omger bakterierna. Antibakteriella medel som kan övervinna dessa läkemedelsresistens- och leveransproblem, såväl som effektivt bild av svårighetsgraden av bakteriella infektioner skulle ha många tillämpningar inom det biomedicinska området.

En forskargrupp ledd av professor XU Qing-Hua från Institutionen för kemi, NUS upptäckte att nanopartiklar av ädelmetall avger mycket starkare tvåfotonfotoluminescens (2PPL) när de aggregeras och bildar kluster i lösning. 2PPL-processen, som innebär emission av ljus vid kortare våglängder via absorption av två fotoner vid längre våglängder, är användbar för biologisk avbildning eftersom cellulär materia i allmänhet inte absorberar ljus vid längre våglängder (nämligen i det nära infraröda). Eftersom många biologiskt viktiga arter (t.ex. bakterier) kan orsaka aggregation av metallnanopartiklar, detta fenomen har viktiga implikationer i två-fotonavkänning, bildbehandling och fototerapi för biomedicinska tillämpningar.

Bland de tillgängliga ädelmetall -nanopartiklarna, forskargruppen fann att Au-Ag-nanopartiklar (Au-kärna inneslutna i ett Ag-skal) ger den största förbättringen i 2PPL upp till 800 gånger när de bildar aggregat. I jämförelse, förbättringsfaktorn är cirka 250 gånger för Au nanopartiklar av liknande storlek och form. En större förbättringsfaktor innebär att nanopartiklarna är mer känsliga för subtila förändringar i den kemiska miljön. Bygger på denna upptäckt, forskargruppen visade att dessa Au-Ag nanopartiklar potentiellt kan användas effektivt för att avbilda bakteriella infektioner och samtidigt ge antibakteriell behandling.

Prof Xu sa:"Förbättrad två-foton excitation ger Au-Ag nanopartiklarna starka fototermiska effekter och överlägsen antibakteriell aktivitet. Detta är utöver deras inneboende antibakteriella aktivitet genom frisättning av silverjoner och generering av reaktiva syrearter, som förbättras ytterligare som ett resultat av ökad exciteringseffektivitet. På grund av deras exceptionella antibakteriella aktivitet, dessa nanopartiklar har visat sig effektivt utrota bakterier i biofilmer under nära-infraröd bestrålning (NIR) i våra experiment. Den inneboende tredimensionella selektiviteten hos två-foton-excitation tillåter selektiv dödande av bakterieceller utan att påverka närliggande friska celler."

Framtida forskningsinsatser för att förstärka dessa metallnanopartiklar med cancercellspecifika bindningsgrupper kan potentiellt göra det möjligt för dem att användas som multifunktionella medel för många biomedicinska tillämpningar.