Wissenschaftler zeigen, dass lichtaktivierte Bohrer im Nanomaßstab pathogene Pilze abtöten können

Diese hartnäckige Fußpilzinfektion, an der schätzungsweise 70 % der Menschen irgendwann in ihrem Leben erkranken, könnte dank Bohrern im Nanomaßstab, die durch sichtbares Licht aktiviert werden, viel einfacher zu beseitigen sein.

Die vom Chemiker James Tour und Mitarbeitern der Rice University entwickelten molekularen Maschinen haben sich als wirksam gegen antibiotikaresistente infektiöse Bakterien und Krebszellen erwiesen und sind laut einer neuen Studie, die in veröffentlicht wurde, genauso gut bei der Bekämpfung von infektiösen Pilzen Fortgeschrittene Wissenschaft.

Basierend auf der Arbeit des Nobelpreisträgers Bernard Feringa sind die molekularen Maschinen der Tour-Gruppe nanoskalige Verbindungen, deren paddelartige Atomkette sich in eine einzige Richtung bewegt, wenn sie sichtbarem Licht ausgesetzt wird. Dies verursacht eine Bohrbewegung, die es den Maschinen ermöglicht, in die Oberfläche von Zellen zu bohren und sie zu töten.

„Dr. Tour stellte die Frage, ob sie auch Pilze abtöten können, die noch nie zuvor erforscht worden waren“, sagte die leitende Co-Autorin Ana Santos, eine Rice-Alumna, die derzeit als Marie Curie Global Postdoctoral Fellow am Fundación Instituto de Investigación Sanitaria Islas tätig ist Balearen in Spanien. „Unsere Studie zeigt erstmals, dass diese Moleküle tatsächlich auch gegen Pilze wirken können.“

Pilzinfektionen stellen eine besondere Bedrohung für Patienten mit einem geschwächten Immunsystem dar, wie beispielsweise Krebspatienten und Transplantatempfänger. Die Kosten für die Behandlung bakterieller Infektionen allein in den USA werden auf mehr als 7 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt.

COVID-19 hat die Sache noch schlimmer gemacht. Immunsuppressiva wurden zu Beginn der Pandemie häufig eingesetzt, um das Risiko langfristiger Organschäden zu verringern, die durch ein überaktives Immunsystem als Reaktion auf das Virus verursacht werden, eine Taktik, die die Ausbreitung von Pilzinfektionen ermöglichte.

„Nach dieser ersten Welle der Pandemie stellten die Ärzte eine Zunahme von Fällen von Mukormykose oder ‚schwarzem Pilz‘ fest, einer normalerweise seltenen Pilzinfektion, die eine lungenentzündungsähnliche Krankheit verursacht, als Folge des übermäßigen Gebrauchs von Immunsuppressiva “, sagte Santos. „Wir wollen einen Weg zur Bekämpfung von Pilzinfektionen entwickeln, der ein geschwächtes Immunsystem nicht weiter belastet, und wir hoffen, dass diese molekularen Maschinen eine Möglichkeit sein könnten, dies zu tun.“

Santos sagte, der übermäßige Einsatz von Antimykotika in der Landwirtschaft trage auch zur Resistenz beim Menschen bei.

„Dies ist ein aufkommendes Phänomen, das wir gerade erst zu verstehen beginnen“, sagte sie. „Antimykotika werden in der Landwirtschaft eingesetzt, um Schäden an Nutzpflanzen durch Pilzbefall zu bekämpfen. Die meisten Antimykotika, die in der Landwirtschaft eingesetzt werden, werden jedoch auch beim Menschen eingesetzt. Daher kann ein übermäßiger Einsatz von Antimykotika nicht nur bei den verursachenden Pilzen zu Resistenzen führen Pflanzenkrankheiten, sondern auch bei anderen Pilzen, einschließlich solchen, die für den Menschen schädlich sein können.“

Im Gegensatz zu den meisten Antimykotika wurde bei den durch sichtbares Licht aktivierten Nanobohrern keine Resistenzentwicklung festgestellt. Ihre Rotoren drehen sich mit 2-3 Millionen Mal pro Sekunde und bringen Pilzzellen zum Zerfall, indem sie ihren Stoffwechsel stören.

„Es gibt nur wenige Klassen von Antimykotika im klinischen Einsatz“, sagte Santos. „Diese herkömmlichen Antimykotika verwenden typischerweise einen von wenigen unterschiedlichen Wirkmechanismen, darunter die Hemmung der Synthese der Pilzzellwand, die gezielte Bekämpfung der Pilzzellmembran oder die Hemmung der Produktion von Ergosterol, das eine wesentliche Komponente für die normale Zellmembranstruktur von Pilzen ist.

„Unsere Moleküle unterscheiden sich von herkömmlichen Antimykotika dadurch, dass sie gezielt auf die so genannten Kraftwerke der Zelle abzielen, also die Mitochondrien“, fuhr sie fort. Mitochondrien sind für die Produktion von Adenosintriphosphat oder ATP verantwortlich, das den Zellstoffwechsel antreibt.

„Indem unsere Moleküle auf die Mitochondrien abzielen, stören sie den Stoffwechsel der Zelle, was zu einem allgemeinen Energieungleichgewicht führt, das zu einem unkontrollierten Fluss von Wasser und Ionen wie Kalzium in die Zelle führt und schließlich dazu führt, dass die Zelle explodiert“, erklärte Santos.