Centers for Disease Control and Prevention uppskattar att mer än 2,8 miljoner amerikaner upplever antibiotikaresistenta infektioner varje år; mer än 35 000 dör av dessa infektioner.

För att ta itu med denna kritiska och världsomspännande folkhälsofråga undersökte nyligen ett team av forskare under ledning av Hongjun (Henry) Liang, Ph.D., från Texas Tech University Health Sciences Center (TTUHSC) Department of Cell Physiology and Molecular Biophysics om eller inte en serie nya nanopartiklar kan döda några av de patogener som leder till mänsklig infektion utan att påverka friska celler.

Studien, "Hydrofila nanopartiklar som dödar bakterier medan de skonar däggdjursceller avslöjar nanostrukturernas antibiotiska roll", publicerades 11 januari av Nature Communications .

Tidigare forskning har visat att hydrofobicitet (en molekyls förmåga att stöta bort vatten) och hydrofilicitet (en molekyls förmåga att attrahera och lösas upp i vatten) påverkar celler; ju mer hydrofobt ett ämne är, desto mer negativ reaktion kommer det att orsaka. Men, sa Liang, det finns ingen kvantitativ standard för hur mycket hydrofobicitet som är acceptabel.

"I grund och botten kan du döda bakterier när du ökar hydrofobiciteten," sa Liang. "Men det kommer också att döda friska celler, och det vill vi inte ha."

För sin studie använde Liang-teamet nya hydrofila nanopartiklar kända som nanoantibiotika som utvecklades av Liangs laboratorium. Strukturellt sett liknar dessa nya nanoantibiotika små håriga sfärer, var och en sammansatt av många hydrofila polymerborstar ympade på kiselnanopartiklar av olika storlekar.

Dessa syntetiska föreningar, som Liangs labb producerar, är designade för att döda bakterier via membranstörningar som antimikrobiella peptider gör, men genom ett annat sätt för membranombyggnad som skadar bakteriemembran och inte däggdjursceller. Antimikrobiella peptider är en mångsidig klass av amfipatiska molekyler (delvis hydrofila-delvis hydrofoba), som förekommer naturligt och fungerar som den första försvarslinjen för alla flercelliga organismer. Den direkta användningen av antimikrobiella peptider som antibiotika begränsas av deras stabilitet och toxicitet.

Det har gjorts andra studier där forskare ympade amfipatiska molekyler på nanopartiklar, och de dödar också bakterier. Liang sa dock att det primära problemet med att använda amfipatiska molekyler är att det blir mycket svårt att hitta den rätta balansen mellan deras hydrofobicitet och hydrofilicitet så att dessa molekylers toxicitet för våra egna celler minskar avsevärt.

"I vårt fall tar vi bort den osäkerheten från ekvationen eftersom vi började med en hydrofil polymer," påpekade Liang. "Cytotoxiciteten hos hydrofoba delar är inte ett problem längre. Dessa hydrofila polymerer i sig själva, eller kiseldioxidnanopartiklarna ensamma dödar inte bakterier; de måste ympas på nanostrukturen för att kunna döda bakterier. Och så, detta är första viktiga upptäckten."

Liang-teamet upptäckte också att graden av antibiotikaaktivitet påverkas av storleken på de håriga sfärerna, vilket enligt Liang är den andra viktiga upptäckten av denna forskning. De som mäter 50 nanometer och lägre verkar vara mycket mer aktiva än de vars storlek överstiger 50 nanometer. Liang sa att de som mäter cirka 10 nanometer verkar vara de mest aktiva. (Med synkrotron-röntgenspridning med liten vinkel och andra metoder kan Liang-teamet tolka den molekylära mekanismen för den storleksberoende antibiotikaaktiviteten.)

Dessa upptäckter är viktiga eftersom att använda nanoantibiotika för att döda bakterier undviker alla kända mekanismer för bakteriell resistens såvida inte bakterier helt förnyar sina vägar för att göra cellmembran, vilket Liang sa är osannolikt.

"Det är också nästan omöjligt för bakterier att utveckla ny resistens mot nanoantibiotika," betonade Liang. "Dessutom belyser denna upptäckt en plan för att utveckla nya antibiotika som skulle döda bakterier vid kontakt, men som förblir älskvärda för människor eftersom de produceras med giftfria och miljövänliga ingredienser via nanoteknik." + Utforska vidare

Ny kopparyta eliminerar bakterier på bara två minuter