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利用纳米技术和光对抗超级细菌,攻克超级耐药

发布时间:2019-12-15 15:20编辑:生命科学浏览(179)

    攻克超级耐药菌的光敏纳米粒子 2014年4月30日,WHO发布报告称,抗生素耐药性细菌正蔓延至全球各地,细菌耐药性已成为21世纪全球关注的热点,它对人类生命健康所构成的威胁,不亚于艾滋病、癌症和心血管疾病。延伸阅读:细菌如何进化出抗生素耐药性?。

    利用纳米技术和光对抗超级细菌 一个新的工具正在剑斩锋芒,它能够对抗耐抗生素细菌引发的疾病,除了全球范围内努力限制过度使用和滥用抗生素药物之外,纳米医学也正在寻找新的方式来击败这些超级细菌。

    多年来,科学家们对这个问题进行了大量的研究,例如,2015年1月,在《PNAS》发表的一项研究中,杜克大学的研究人员开发出一种软件,可以提前预测不断变化的感染细菌如何对抗这些新药,甚至在患者身上测试这些药物之前都能进行预测。随后,来自中山大学生命科学学院的研究人员证实,外源性的丙氨酸和/或葡萄糖加上卡那霉素可以杀死抗生素耐药细菌。这一研究发现发表在了《细胞代谢》杂志上(中山大学彭宣宪教授Cell子刊攻克耐药菌难题)。

    纳米粒子,比一毫米小一百万倍,状态稳定,治疗相对容易,而且易于植入细胞内。

    在与耐药细菌进行的不断升级的战斗中,由于美国科罗拉多大学研究人员最近开发的一种适应性、光激活的纳米疗法,人们或许将在这项战斗中处于优势地位。

    在最近的工作中,科罗拉多大学的一组研究人员,利用纳米量子点,杀死具有抗药性的超级病菌,而且不伤害周围的健康组织。

    在美国,抗生素耐药菌如沙门氏菌、大肠杆菌和葡萄球每年菌感染大约200万人,杀死至少23000人。由于细菌的快速适应能力和对普通抗生素发展出免疫力,试图阻止这些所谓的“超级细菌”的战斗,始终都功亏一篑。

    一旦将它们植入人体,量子点会按兵不动,直到有光线照耀到身上,它们才会被激活。任何可见光源都可以利用。到目前为止,我们的研究主要聚焦在皮肤感染上;体内疾病,可能需要更亮的光线或更多的纳米粒子。

    然而,这项新的研究表明,这个大的全球性问题的解决方案,可能非常小。这项研究发表在《NatureMaterials》杂志上,来自化学和生物工程系以及BioFrontiers研究所的研究人员,描述了这种新的光激活纳米疗法,他们称其为“量子点”。这个点,比人的头发小大约20000倍,类似于消费电子中应用的微小半导体,在实验室生长的细胞培养物中,成功地杀死了百分之92的抗药性细菌细胞。

    被光激活后,量子点开始产生电子,以及生产自由基离子。这些离子会打断细胞所依赖的通信和基本生命功能的生化反应。这样,我们可以定位并杀灭引起疾病的特定细菌细胞。

    本文资深作者、科罗拉多大学化学与生物工程系助理教授PrashantNagpal说:“通过将这些半导体缩小到纳米级,我们能够在细胞环境中产生只靶定感染的高度特异性的相互作用。”

    抗生素不仅用于治疗活性细菌性感染,而且还经常用于治疗接受外科手术的患者以及患有免疫系统缺陷疾病的人,如艾滋病和癌症。

    以前的研究已经表明,用金和银等制备的金属纳米粒子,可以有效地打击抗生素耐药性的感染,但可能也会不加选择地损害周围的细胞。然而,这些量子点,由于它们的光活化性能,可以针对特定的感染而定制。这些点在黑暗中保持不活跃,但可以通过将它们暴露在光中而被激活,从而让研究人员能够修改波长,以改变和杀死受感染的细胞。

    一般人们把对超过一种抗生素有抗药性的细菌统称为超级细菌,在美国,它们每年导致的感染人数超过200万,其中有2万3千人死于超级细菌。在全球范围内,它们每年会杀死70万人。

    Nagpal指出:“尽管我们常常指望这些超级细菌来适应和对抗疗法,但是,我们可以快速定制这些量子点,以找到一种新的疗法,因此加快了我们在这场战斗中的反击速度。”

    英国政府研究小组的预测表明,如果不加以控制,到2050年,超级细菌每年将杀死超过1000万人。这将远远超过其它主要疾病的死亡率——包括糖尿病、癌症,腹泻和公路交通事故。到2050年,经济成本估计为100兆美元。

    这种创新的特殊性,可能有助于减少或消除其他治疗方法潜在的副作用,也为未来的发展和临床试验提供了一条途径。本文共同资深作者、化学和生物工程系助理教授AnushreeChatterjee指出:“抗生素是不只是细菌感染的一个基线治疗,而且艾滋病和癌症也一样。”

    在对抗感染细菌方面还有其它的纳米药物。当暴露在光源下,它们会升温,杀死周围所有细胞,而不仅仅是导致疾病的细胞。因此,它们需要特定的工具,如蛋白质或抗体,有选择性地靶向所需细胞类型,将纳米粒子送到指定位置。而这一切,需要准确识别靶向细胞的能力。

    Nagpal和Chatterjee是PRAANBiosciences公司的联合创始人,该公司用仅仅一个单一的分子就可以测定遗传序列,这项技术可能有助于超级病菌菌株的诊断和治疗。作者们已经就这项新的量子点技术申请了专利。

    我们的方法是一项改进,因为它能够精准处理靶向细胞。具有不同大小和电学性质的量子点可以帮助产生不同的破坏性离子。这可以让医生选择用干扰物杀死入侵细菌而不损害周围的健康组织。

    被激活的量子点扰乱了致病细菌中“氧化还原”反应的化学过程的平衡,以便杀死它们。

    使用这种方法,外加一个普通的灯泡,我们能够消除不同类型的耐抗生素细菌。这些细菌是科罗拉多大学医学院以实际临床样本的形式提供给我们的。他们包括一些最危险的耐药感染菌:耐甲氧苯青霉素金黄色葡萄球菌;超广谱β-内酰胺酶——产生肺炎克雷伯氏菌和鼠伤寒沙门菌;多重耐药性大肠杆菌;耐碳青霉烯类肠杆菌。

    我们也能够制作对光线产生不同反应的纳米粒子,包括对光线没有反应或提高细胞繁殖能力的反应。促进超级细菌的生长时不可取的,但是这一发现能够让我们促进有益细菌的生长繁殖,如在生物反应器中培养细胞,这有助于生物燃料和抗生素药物的生产。

    到目前为止,我们的工作一直在实验室的试管中进行;我们下一步的任务是将这项技术进行动物研究。如果能够成功,这项技术就可以在短期内加入对抗多重耐药菌的战斗中,并且有着很好的应用前景。

    例如,它还有可能激励光激活类药物——这样一种新类别药物的产生,催生具有LED光线疗法的特殊面料的发展,甚至形成抗菌表面和医疗设备的基础。

    虽然细菌仍将继续进化以寻求生存,但是我们控制被激活量子点的特定反应的能力,能够让我们在这场战斗中能够反应迅速,胜利是我们唯一的选择。

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