Un'illustrazione mostra come le nanomacchine motorizzate innescate da un trapano leggero nei batteri, aprendo la strada agli antibiotici. Gli esperimenti hanno mostrato che i batteri sono tornati suscettibili all'antibiotico meropenem, a cui aveva sviluppato resistenza. Credito:Don Thushara Galbadage/Università di Biola
I trapani molecolari hanno acquisito la capacità di colpire e distruggere batteri mortali che hanno sviluppato una resistenza a quasi tutti gli antibiotici. In alcuni casi, le esercitazioni rendono gli antibiotici nuovamente efficaci.
Ricercatori della Rice University, Università del Texas A&M, La Biola University e l'Università di Durham (Regno Unito) hanno dimostrato che le molecole motorizzate sviluppate nel laboratorio Rice del chimico James Tour sono efficaci nell'uccidere i microbi resistenti agli antibiotici in pochi minuti.
"Questi superbatteri potrebbero uccidere 10 milioni di persone all'anno entro il 2050, superando il cancro, " Tour ha detto. "Questi sono batteri da incubo; non rispondono a niente".
I motori prendono di mira i batteri e, una volta attivato con la luce, scavare attraverso i loro esterni.
Mentre i batteri possono evolversi per resistere agli antibiotici bloccando gli antibiotici, i batteri non hanno difese contro i trapani molecolari. Gli antibiotici in grado di passare attraverso le aperture praticate dai trapani sono ancora una volta letali per i batteri.
I ricercatori hanno riportato i loro risultati sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .
Tour e Robert Pal, un ricercatore della Royal Society University a Durham e coautore del nuovo articolo, ha introdotto i trapani molecolari per perforare le cellule nel 2017. I trapani sono molecole simili a pale che possono essere spinte a ruotare a 3 milioni di rotazioni al secondo quando attivate con la luce.
Un batterio Klebsiella pneumoniae esposto a nanomacchine motorizzate inventate alla Rice University e l'antibiotico meropenem mostra segni di danno in un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione. Le frecce gialle mostrano aree di interruzioni della parete cellulare, mentre la freccia viola mostra dove il citoplasma è fuoriuscito dalla cellula. Credito:Don Thushara Galbadage/Texas A&M
Test del laboratorio Texas A&M dello scienziato capo Jeffrey Cirillo e dell'ex ricercatore della Rice Richard Gunasekera, ora alla Biola, ha effettivamente ucciso Klebsiella pneumoniae in pochi minuti. Immagini microscopiche di batteri mirati hanno mostrato dove i motori avevano perforato le pareti cellulari.
"I batteri non hanno solo un doppio strato lipidico, " Tour ha detto. "Hanno due doppi strati e proteine con zuccheri che li collegano, quindi le cose normalmente non passano attraverso queste pareti cellulari molto robuste. Ecco perché questi batteri sono così difficili da uccidere. Ma non hanno modo di difendersi da una macchina come questi trapani molecolari, poiché questa è un'azione meccanica e non un effetto chimico."
I motori hanno anche aumentato la suscettibilità di K. pneumonia al meropenem, un farmaco antibatterico a cui i batteri avevano sviluppato resistenza. "Qualche volta, quando i batteri scoprono un farmaco, non lo fa entrare, " Tour ha detto. "Altre volte, i batteri sconfiggono il farmaco facendolo entrare e disattivandolo".
Ha detto che il meropenem è un esempio del primo. "Ora possiamo farlo passare attraverso la parete cellulare, " Tour ha detto. "Questo può dare nuova vita agli antibiotici inefficaci utilizzandoli in combinazione con i trapani molecolari".
Gunasekera ha affermato che le colonie batteriche prese di mira con una piccola concentrazione di nanomacchine da sole hanno ucciso fino al 17% delle cellule, ma questo è aumentato al 65% con l'aggiunta di meropenem. Dopo aver bilanciato ulteriormente i motori e l'antibiotico, i ricercatori sono stati in grado di uccidere il 94% dell'agente patogeno che causa la polmonite.
Un batterio Klebsiella pneumoniae esposto a nanomacchine motorizzate inventate alla Rice University e l'antibiotico meropenem mostra segni di danno in un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione. Le frecce gialle mostrano aree di interruzioni della parete cellulare, la freccia viola mostra dove il citoplasma è fuoriuscito dalla cellula, e la freccia rossa mostra la perdita citoplasmatica. Credito:Don Thushara Galbadage/Texas A&M
Tour ha affermato che le nanomacchine potrebbero vedere il loro impatto più immediato nel trattamento della pelle, ferita, infezioni del catetere o dell'impianto causate da batteri, come lo staphylococcus aureus MRSA, klebsiella o pseudomonas e infezioni intestinali. "Sulla pelle, nei polmoni o nel tratto gastrointestinale, ovunque possiamo introdurre una fonte di luce, possiamo attaccare questi batteri, " ha detto. "Oppure si potrebbe far fluire il sangue attraverso una scatola esterna contenente luce e poi tornare nel corpo per uccidere i batteri trasmessi dal sangue".
"Siamo molto interessati a trattare inizialmente le infezioni di ferite e impianti, " ha detto Cirillo. "Ma abbiamo modi per fornire queste lunghezze d'onda della luce alle infezioni polmonari che causano numerosi decessi per polmonite, fibrosi cistica e tubercolosi, quindi svilupperemo anche trattamenti per le infezioni respiratorie".
Gunasekera ha notato che anche i batteri trasmessi dalla vescica che causano infezioni del tratto urinario possono essere presi di mira.
Il documento è uno dei due pubblicati dal Tour lab questa settimana che migliorano la capacità delle nanomacchine microscopiche di curare le malattie. Nell'altro, che appare in Interfacce materiali applicati ACS , i ricercatori della Rice e dell'MD Anderson Cancer Center dell'Università del Texas hanno preso di mira e hanno attaccato campioni di laboratorio di cellule tumorali del pancreas con macchine che rispondono alla luce ultravioletta visibile piuttosto che alla luce ultravioletta utilizzata in precedenza. "Questo è un altro grande progresso, poiché la luce visibile non causerà tanti danni alle cellule circostanti, " Disse Giro.
