Nanorobotersystem bietet neue Möglichkeiten zur Bekämpfung von Pilzinfektionen

Durch Pilze wie Candida albicans verursachte Infektionen stellen aufgrund ihrer Resistenz gegen bestehende Behandlungen ein erhebliches globales Gesundheitsrisiko dar, so dass die Weltgesundheitsorganisation dies als solches hervorgehoben hat vorrangiges Thema.

Obwohl Nanomaterialien als Antimykotika vielversprechend sind, mangelt es den aktuellen Versionen an der Wirksamkeit und Spezifität, die für eine schnelle und gezielte Behandlung erforderlich sind, was zu längeren Behandlungszeiten und möglichen Nebenwirkungen und Arzneimittelresistenzen führt.

Nun hat ein Forscherteam unter der gemeinsamen Leitung von Hyun (Michel) Koo von der University of Pennsylvania School of Dental Medicine und Edward Steager von der Penn’s School of Engineering and Applied Science in einer bahnbrechenden Entwicklung mit weitreichenden Auswirkungen auf die globale Gesundheit eine neue Studie entwickelt Mikrorobotersystem, das in der Lage ist, Pilzerreger schnell und gezielt zu beseitigen.

„Candidae bildet hartnäckige Biofilminfektionen, die besonders schwer zu behandeln sind“, sagt Koo. „Aktuellen antimykotischen Therapien fehlt die Wirksamkeit und Spezifität, die für eine schnelle und effektive Beseitigung dieser Krankheitserreger erforderlich sind. Daher stützt sich diese Zusammenarbeit auf unser klinisches Wissen und vereint Eds Team und seine Roboterkompetenz, um einen neuen Ansatz anzubieten.“

Das Forscherteam ist Teil des Center for Innovation & Precision Dentistry von Penn Dental, einer Initiative, die technische und rechnerische Ansätze nutzt, um neue Erkenntnisse zur Krankheitsbekämpfung zu gewinnen und Innovationen in der Mund- und kraniofazialen Gesundheitsversorgung voranzutreiben.

Für dieses Papier, veröffentlicht in Fortgeschrittene Werkstoffe, nutzten die Forscher die jüngsten Fortschritte bei katalytischen Nanopartikeln, sogenannten Nanozymen, und bauten Miniaturrobotersysteme, die Pilzzellen gezielt angreifen und schnell zerstören konnten. Dies erreichten sie, indem sie elektromagnetische Felder nutzten, um die Form und Bewegungen dieser Nanozym-Mikroroboter mit großer Präzision zu steuern.

„Die Methoden, mit denen wir die Nanopartikel in dieser Studie kontrollieren, sind magnetisch, was es uns ermöglicht, sie genau an den Infektionsort zu lenken“, sagt Steager. „Wir nutzen Eisenoxid-Nanopartikel, die eine weitere wichtige Eigenschaft haben, nämlich katalytisch zu wirken.“

Steagers Team entwickelte die Bewegung, Geschwindigkeit und Bildung von Nanozymen, die zu einer erhöhten katalytischen Aktivität führten, ähnlich wie das Enzym Peroxidase, das dabei hilft, Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff aufzuspalten. Dies ermöglicht direkt die Erzeugung großer Mengen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), Verbindungen mit nachweislich biofilmzerstörenden Eigenschaften, am Infektionsort.

Das wirklich bahnbrechende Element dieser Nanozym-Anordnungen war jedoch eine unerwartete Entdeckung: ihre starke Bindungsaffinität zu Pilzzellen. Diese Funktion ermöglicht eine lokalisierte Ansammlung von Nanozymen genau dort, wo sich die Pilze befinden, und folglich eine gezielte ROS-Erzeugung. „Unsere Nanozyme-Anordnungen üben eine unglaubliche Anziehungskraft auf Pilzzellen aus, insbesondere im Vergleich zu menschlichen Zellen“, sagt Steager. „Diese spezifische Bindungsinteraktion ebnet den Weg für eine starke und konzentrierte antimykotische Wirkung, ohne andere nicht infizierte Bereiche zu beeinträchtigen.“

In Verbindung mit der inhärenten Manövrierfähigkeit des Nanozyms führt dies zu einer starken antimykotischen Wirkung und zeigt die schnelle Vernichtung von Pilzzellen innerhalb eines beispiellosen Zeitfensters von 10 Minuten.

Mit Blick auf die Zukunft sieht das Team das Potenzial dieses einzigartigen Nanozym-basierten Robotik-Ansatzes, da er neue Methoden zur Automatisierung der Steuerung und Abgabe von Nanozymen einbezieht. Das Versprechen, das es für die Antimykotika-Therapie verspricht, ist nur der Anfang. Seine präzise Ausrichtung und schnelle Wirkung lassen auf Potenzial für die Behandlung anderer Arten hartnäckiger Infektionen schließen.

„Wir haben ein wirksames Instrument im Kampf gegen pathogene Pilzinfektionen entdeckt“, sagt Koo. „Was wir hier erreicht haben, ist ein bedeutender Fortschritt, aber es ist auch nur der erste Schritt. Die magnetischen und katalytischen Eigenschaften in Kombination mit der unerwarteten Bindungsspezifität an Pilze eröffnen spannende Möglichkeiten für einen automatisierten antimykotischen Mechanismus zum Binden und Abtöten von Zielen.“ Wir sind bestrebt, tiefer einzutauchen und das volle Potenzial auszuschöpfen.“

Dieser robotische Ansatz eröffnet neue Grenzen im Kampf gegen Pilzinfektionen und markiert einen entscheidenden Punkt in der Antimykotika-Therapie. Mit einem neuen Werkzeug in ihrem Arsenal sind Mediziner und Zahnärzte der wirksamen Bekämpfung dieser schwierigen Krankheitserreger näher denn je.