Antybiotyki pozwalają na zwalczenie wielu patogenów, jednak z roku na rok stają się coraz mniej skuteczne. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN zademonstrowali nanocząstki srebra otrzymane z użyciem zielonej herbaty jako narzędzie przeciwko bakteriom odpornym na działanie wielu antybiotyków.
Wraz z wytworzeniem pierwszych antybiotyków ludzkość stawiła czoła wielu patogenom, przezwyciężając wiele groźnych chorób, takich jak gruźlica czy tyfus. Antybiotyki zrewolucjonizowały medycynę, wydłużając długość życia, i przyspieszyły rozwój farmacji, dostarczając coraz więcej leków przeciwko wielu groźnym patogenom. Niemniej jednak nadużywanie antybiotyków doprowadziło do pojawienia się oporności na nie. W rezultacie niektóre szczepy są odporne na niemal wszystkie komercyjnie dostępne leki. Stąd poszukiwania związków mogących sprostać antybiotykoopornym patogenom.
Zespół naukowców z IChF PAN pod kierunkiem prof. Jana Paczesnego zaproponował hybrydyowe nanocząstki na bazie srebra do zastosowania przeciwko powszechnym i problematycznym patogenom, takim jak bakterie z grupy ESKAPE (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa i Enterobacter spp.) oraz innym, takim jak drożdżaki Candida auris czy Cryptococcus neoformans. Mikroorganizmy te, zwalczane dostępnymi na rynku antybiotykami, szybko rozwijają oporność na antybiotyki. Naukowcy wybrali patogeny ESKAPE jako grupę docelową, gdyż mogą prowadzić do wielu poważnych chorób, od sepsy po raka.
Kilka miesięcy temu, zespół prof. Paczesnego postanowił połączyć nanocząstki srebra, które są znane ze swoich właściwości przeciwbakteryjnych i przeciwgrzybiczych, z ekstraktami z herbaty bogatymi w polifenole posiadające właściwości przeciwutleniające. Taka kombinacja została zaproponowana celem zwiększenia skuteczności o szerokim spektrum działania. Dlaczego zaproponowane nanocząstki są tak wyjątkowe? Tajemnica tkwi w ich składzie chemicznym. Nanocząstki srebra uzyskano stosując trzy, powszechnie znane odmiany herbaty: czarna herbata (B-Tea), zielona herbata (G-Tea) i czerwona herbata Pu-erh (R-Tea), przy czym herbata posłużyła jako czynnik wytrącający nanocząstki z roztworu, pełniąc jednocześnie funkcję stabilizatora chroniącego otrzymane struktury przed agregacją i zachowując wysoce rozwiniętą powierzchnię. Co więcej, synteza nanocząstek srebra z użyciem herbat jest przyjazna dla środowiska. W badaniach wykazano, że wytworzone struktury różnią się kształtem i rozmiarem (od 34 do 65 nm), w zależności od rodzaju herbaty użytej podczas syntezy, i wykazują różną reaktywność wobec mikroorganizmów.
Początkowo nanocząstki srebra wytwarzane w obecności ekstraktów z herbaty (B-TeaNPs, G-TeaNPs i R-TeaNPs) zostały wykorzystane do zwalczania przedstawicieli bakterii Gram-ujemnych (E. coli – pałeczka okrężnicy) i Gram-dodatnich (E. faecium) różniących się budowlą osłon komórkowych. Następnie nanocząstki przetestowano na patogenach grupy ESKAPE, zgodnie z protokołem zapewniającym najskuteczniejszą eliminację bakterii, wykazując nawet 55% spadek liczby bakterii S. aureus (gronkowiec złocisty) i 90% spadek w przypadku E. cloacae w ciągu jedynie 3 godzin. Przyjrzano się również interakcjom między wytworzonymi nanocząstkami a patogenami w celu określenia skuteczności, porównując wyniki z dostępnymi na rynku antybiotykami. Ponadto, choć do tej pory powszechnie uważano, że srebro jest nieskuteczne wobec drożdży, otrzymane nanocząstki wykazywały aktywność przeciwgrzybiczą, prowadząc do 80% spadku dla szczepu C. auris i około 90% spadku w przypadku C. neoformans.
Cytotoksyczne działanie nanomateriałów jest często związane z rozmiarem nanocząstek, gdzie mniejsze cząstki są z reguły bardziej cytotoksyczne. Tego samego spodziewaliśmy się dla otrzymanych nanocząstek. Jednak w badaniach mniejsze nanocząstki – C-AgNP i R-TeaNP – wykazywały najniższą skuteczność przeciwdrobnoustrojową. Mimo pozornej sprzeczności, jest to zgodne z nowszymi badaniami, które wykazały, że rozmiar nie jest głównym czynnikiem wpływającym na aktywność przeciwdrobnoustrojową nanocząstek srebra – opisuje Sada Raza z zespołu badawczego IChF PAN.
Właściwości przeciwbakteryjne i przeciwgrzybicze nanocząstek srebra otrzymanych z użyciem ekstraktów herbaty są większe niż w przypadku samych nanocząstek bez dodatków ze względu na wysoką zawartość związków fenolowych, izoflawonoidów (zwłaszcza katechin, takich jak epigalokatechina i galusan epigalokatechiny) w ekstraktach z herbat. Zastosowanie ekstraktów nie tylko zwiększa efektywość działania przeciw patogenom, ale także pozwala na redukcję ilości samych nanocząstek srebra. Zatem zaproponowane nanoformulacje wydają się być potencjalnym sposobem zwalczania szeregu infekcji, a nawet zastępowania antybiotyków w niektórych przypadkach.
Wykazaliśmy, że nanocząstki srebra zsyntetyzowane z ekstraktami z herbaty mają wyższe właściwości antybakteryjne niż same nanocząstki srebra bez dodatków. Dzięki temu można było stosować niższe dawki nanocząstek (nawet 0,1 mg mL−1 ). Potwierdziliśmy, że w niektórych przypadkach synergistyczne działanie ekstraktów z herbaty i nanocząstek srebra pozwoliło uzyskać skuteczność wyższą niż w przypadku wybranych antybiotyków (ampicyliny i piperacyliny), gdy testowano je w tych samych stężeniach (0,1 mg mL−1) i po stosunkowo krótkim czasie ekspozycji wynoszącym trzy godziny – zauważa Mateusz Wdowiak, współautor pracy.
Naukowcy odkryli, że hybrydowe nanocząstki spowodowały znaczną redukcję ilości bakterii w porównaniu z antybiotykami. Chociaż nie wszystkie bakterie zostały usunięte, to efekt jest znaczący i może pomóc w zwalczaniu tzw. superbakterii przy użyciu znacznie niższych dawek niż inne dostępne na rynku związki. Ilość hybrydowych nanocząstek srebra potrzebna do pokonania bakterii lub infekcji grzybiczych jest niezwykle niska, co czyni je opłacalnymi.
Zaproponowane nanocząstki można również zaadaptować do zwalczania innych trudnych do leczenia infekcji bakteryjnych. Nowe struktury opracowane przez naukowców z IChF PAN mogą przybliżyć nas do skutecznego zwalczania śmiertelnie niebezpiecznych opornych na leki superbakterii, stanowiąc alternatywę dla komercyjnie dostępnych antybiotyków przeciwko zarówno bakteriom Gram-ujemnym, jak i Gram-dodatnim.
Kolejnym celem naukowców jest wykorzystanie nanocząstek w życiu codziennym, począwszy od zastąpienia szkodliwych związków stosowanych na polach w celu przezwyciężenia infekcji roślin. Na większą skalę proponowany materiał mógłby być również wykorzystywany w zastosowaniach biomedycznych, takich jak dodatek do opatrunków na rany w celu ochrony przed bakteriami. Naukowcy mają nadzieję wykorzystać nanotechnologię do opracowania bardziej ukierunkowanych metod leczenia lekoopornych superbakterii.
Wyniki badań naukowców z IChF PAN opublikowało czasopismo Nanoscale Advances.
źródło: IChF PAN