Hung-Jen Wu, außerordentlicher Professor am Artie McFerrin Department of Chemical Engineering an der Texas A&M University, arbeitet daran, Bakterien zu besiegen, die gegen mehrere Arten von Antibiotika resistent geworden sind. Um interdisziplinäre Ergebnisse zu erzielen, arbeitet Wu mit Forschern des Texas A&M College of Engineering und des Texas A&M Health Science Center zusammen.
„Diese Bakterien sind nicht nur arzneimittelresistent, sie sind mehrfach arzneimittelresistent“, sagte Wu. „Das bedeutet, dass mehrere verschiedene Klassen von Antibiotika sie nicht töten können. Dies ist zu einer wirklich großen Bedrohung für die öffentliche Gesundheit geworden, da Ärzte diese Krankheiten nicht mehr mit denselben Medikamenten behandeln können, die in der Vergangenheit verwendet wurden.“
Die Forschung wurde in veröffentlicht Fortgeschrittene Therapeutika und ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen.
In der Vergangenheit hat die medizinische Forschungsgemeinschaft versucht, antibiotikaresistente Bakterien durch die Entwicklung neuer Antibiotika zu besiegen. Dieser Ansatz ist teuer und kann Jahrzehnte dauern. Wu verfolgt einen anderen Ansatz. Durch ein zielgerichtetes System bringt er die Antibiotika direkt zu den Bakterien und ermöglicht ihnen so eine stärkere Wirkung auf den Erreger.
„Durch die Verwendung eines gezielten Verabreichungssystems können wir die Dosis des Antibiotikums tatsächlich reduzieren und den Erreger dennoch effektiv abtöten“, sagte Wu.
Die Idee zu einem gezielten Ansatz entstand, als Forscher das Verhalten der Krankheitserreger beobachteten, die sie abtöten wollten. Wenn Bakterien in den Körper eindringen, verwenden sie eine Kombination aus starken und schwachen Ligandenverbindungen, um sich an eine Zellmembran anzuheften und die Zelle zu infizieren. Liganden, molekulare Verbindungen, die sowohl auf den Bakterien als auch auf der Zellmembran vorhanden sind, ermöglichen es den beiden Zellen, durch die Verwendung einzigartiger molekularer Strukturen aneinander zu haften. Wu und seine Mitarbeiter nutzen diese Eigenschaft von Bakterien, indem sie diese Bindungsmethode verwenden, um Antibiotika effizient direkt an die Bakterien zu liefern.
„Wir bemerkten, wie Bakterien gleichzeitig an die starken und schwachen Liganden der Wirtszelle binden, und wir fragten uns, wie wir das nutzen könnten“, sagte Wu. „Wir wurden von den Bakterien inspiriert, dieses neue Wirkstoffträgersystem zu entwickeln.“
Während die medizinische Gemeinschaft zuvor versucht hat, diese Verbindungen zu nutzen, war die Wirksamkeit gering, da sich die Forscher nur auf starke Ligandenpaare konzentrierten.
„Was unser Labor einzigartig macht, ist unser Fokus auf die schwachen Ligandenpaare“, sagte Wu. „Während starke Ligandenpaare wichtig sind, hatten die Forscher Probleme, sie auf der Zellmembran zu finden, weil sie selten sind. Die Fülle schwacher Ligandenpaare macht sie effektiver, um Medikamente an die Zelle zu liefern.“
Um die zielgerichtete Abgabe zu erleichtern, hat Wu molekulare Ligandenstrukturen auf der Außenseite von Antibiotikapartikeln konstruiert, die an die schwachen Ligandenpaare auf der Bakterienzellmembran binden. Wenn ein antibiotisches Partikel auf eine Bakterienzelle trifft, bewirkt die Fülle schwacher Ligandenpaare, dass das antibiotische Partikel an mehreren Stellen an der Zelle haftet, wodurch eine stabilere Verbindung entsteht. Dies ermöglicht eine effektivere Aufnahme des Antibiotikums durch die Bakterienzelle. Diese schnelle Aufnahme des Antibiotikums führt zu einer effektiveren Vernichtung des Erregers.
Wus Forschung konzentrierte sich auf zwei Arten von Bakterien, das Bakterium, das Tuberkulose verursacht, Mycobacterium tuberculosis, und einen der führenden bakteriellen Krankheitserreger, der eine Antibiotikaresistenz gezeigt hat, Pseudomonas aeruginosa. In Zukunft hofft er, seine Methode auf weitere Bakterienarten anwenden zu können, um die Ausbreitung anderer Infektionskrankheiten zu verlangsamen.
„Dieser Mechanismus wurde entwickelt, um mit allen Arten von Bakterien zu funktionieren“, sagte Wu. „Wenn wir es auf andere Bakterienarten anwenden, kann ich die Ligandenpaare schnell identifizieren. Mit diesem neuen Werkzeug werden wir in der Lage sein, viele verschiedene Bakterienarten effektiv zu behandeln.“
Mehr Informationen:
Anirudh Gairola et al, Recent Developments in Drug Delivery for Treatment of Tuberculosis by Targeting Macrophages, Fortgeschrittene Therapeutika (2022). DOI: 10.1002/adtp.202100193
Akshi Singla et al, Hetero-multivalente gezielte liposomale Arzneimittelabgabe zur Behandlung von Pseudomonas aeruginosa-Infektionen, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c12943