Lupta împotriva bacteriilor multirezistente se dă cu mașinării microscopice17 min read

Instrumente mai mici decât firul de păr sunt concepute pentru a eradica bacteriile rezistente la antibiotice și a lupta împotriva cancerului.

Dr. Ana Santos se emoționează atunci când descrie cele întâmplate în urmă cu mai mulți ani: bunicul și unul dintre unchii săi au murit din cauza unei infecții a tractului urinar, iar o bună prietenă a murit și ea din cauza infectării unei răni provocate de o tăiere accidentală. 

A fost un șoc. În era antibioticelor, astfel de nenorociri nu ar fi trebuit să se întâmple.

Creșterea și descreșterea antibioticelor

„Membrii familiei mele mureau din cauza infecțiilor”, spune Santos, care este microbiolog la Institutul de Cercetare în Sănătate din Insulele Baleare (IdISBa), în Spania. „Mi-am dat seama că parcă am merge înapoi în timp – antibioticele noastre nu mai sunt eficace.” 

Este o provocare globală. Aproape cinci milioane de decese din întreaga lume au avut legătură cu bacteriile rezistente la antibiotice în 2019, potrivit jurnalului medical The Lancet.// „Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: a systematic analysis”, thelancet.com //

Șase tipuri de bacterii rezistente provoacă cel mai mult rău. Organizația Mondială a Sănătății a avertizat// „New report calls for urgent action to avert antimicrobial resistance crisis”, who.int // că bolile rezistente la medicamente ar putea fi direct răspunzătoare pentru zece milioane de decese până în 2050. 

Santos este parte a luptei menite să prevină astfel de cifre alarmante: aceasta a condus un proiect de cercetare finanțat de UE și menit să dezvolte mașini microscopice care să omoare bacteriile rezistente. Proiectul denumit REBELLION// „Light-REsponsive Nanomachines for Targeted Eradication of BactErial Pathogens in LocaLised InfectIONs”,  cordis.europa.eu // s-a încheiat în aprilie 2023, după 39 de luni.

„Am dat peste acest concept al mașinilor moleculare care străpung celulele”, spune Santos. „Trebuie să începem să gândim neconvențional.”

Alexander Fleming, medic scoțian, a descoperit în 1928 primul antibiotic veritabil – penicilina – produs de un soi de mucegai. Ulterior s-au descoperit și alte antibiotice, adesea produse de microbii din sol, care au ajuns să salveze milioane de vieți. 

Însă în această „cursă a înarmării”, microorganismele au evoluat și și-au creat diverse mecanisme de apărare pentru a supraviețui în fața antibioticelor. 

Sfredelitoarele de bacterii

Atunci când cele două rude și prietena sa și-au pierdut viața din cauza infecțiilor, Santos studia cum trăiesc și cum mor bacteriile în condiții de înfometare. A decis apoi să își schimbe obiectul cercetării. 

„Mă simțeam frustrată deoarece vedeam că este o problemă urgentă, însă nu făceam nimic în legătură cu asta”, spune Santos. „Tot mai mulți oameni ajung să moară din cauza infecțiilor rezistente la antibiotice.”

Santos a căutat cercetători în domeniu care să o ajute și s-a asociat cu un grup din Spania pentru a testa modul în care minuscule mașini moleculare străpung bacteriile. Mașinile constau în două părți ale unei molecule unite printr-o legătură chimică; sub un fascicul de lumină, partea de sus începe să se învârtă rapid ca un sfredel.

Antibioticele țintesc și se prind adesea de o proteină bacteriană specifică, la fel ca o cheie care intră într-o încuietoare. Problema este că bacteriile pot suferi transformări fizice care vor face ca cheia să nu se mai potrivească în încuietoare, astfel că antibioticele rămân pe dinafară. 

Ideea din spatele nanomașinilor este că acestea vor fi mai greu de eludat de către bacterii. 

Santos a contribuit la realizarea acestor mașini care omoară bacteriile ca parte a proiectului REBELLION.

Ucigașele de bacterii multirezistente

Cele două părți sunt mai mici de 100 nanometri (a mia parte din grosimea unui fir de păr), fiind practic mărunte pe lângă bacteriile mai mari. 

Santos a eliberat multe milioane de astfel de nanomașini în grămezi de bacterii din laboratorul său. Mașinile s-au legat de bacterii, iar odată expuse la lumină, au început să se rotească și să le sfredelească. 

Santos a jubilat atunci când s-a uitat prin microscop și a văzut celulele bacteriene ciuruite de găuri minuscule. 

Experimentele ulterioare au arătat că micile sfredele pot ucide o mulțime de tulpini bacteriene care infectează, de obicei, oamenii. 

Apoi a încercat altceva: a pus mai puține nanomașini să lupte împotriva Staphylococcus aureus rezistent la meticilină (MRSA), un faimos stafilococ cu efecte mortale mai ales în spitale. O concentrație mai mică de nanomașini era menită să reducă riscul deteriorării celulelor umane.

Micile instrumente eliberate au străpuns MRSA și au creat suficiente găuri, astfel încât acesta a devenit din nou vulnerabil la antibiotice. 

„Bacteriilor le este foarte greu să dezvolte o rezistență la o astfel de acțiune”, spune Santos. „Este ca și cum le-ai bombarda”.

Vindecătoare de răni

Pentru a folosi această nouă armă împotriva bacteriilor rezistente, cercetătorii vor trebui să se asigure că nanomașinile pot fi utilizate în siguranță pe pacienți. Aceasta înseamnă că trebuie să fie siguri că sunt țintite bacteriile, nu celulele umane. 

Un prim motiv de optimism este faptul că nanomașinile au o sarcină pozitivă. Drept urmare, preferă să se lege de bacteriile încărcate negativ, mai degrabă decât de celulele umane, care sunt mai neutre. 

În cadrul experimentelor derulate de Santos, nanomașinile nu au vătămat viermii în care au fost injectate. Dornică să aducă această strategie mai aproape de pacienți, Santos se pregătește pentru următorul pas: testele de siguranță efectuate pe șoareci. 

Dacă se vor dovedi a fi un succes, primii pacienți tratați ar putea fi cei cu răni infectate, îndeosebi persoanele cu arsuri severe, mai predispuse la infecții. 

Nanomașinile ar putea fi plasate pe piele și activate de lumină pentru a sfredeli bacteriile care infectează rana.

O echipă europeană de top

Nanomașinile sunt de ceva vreme în centrul atenției. 

Prof. Ben Feringa de la Universitatea din Groningen din Țările de Jos a câștigat Premiul Nobel pentru Chimie în 2016 pentru dezvoltarea unor nanomașini cu motoare moleculare care pot fi activate de lumina ultravioletă. 

Moleculele își schimbă forma atunci când sunt expuse la lumină, astfel că pot fi folosite drept comutatoare sau declanșatoare. Feringa a construit chiar un nanovehicul// „Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface”, nature.com // alcătuit dintr-o singură moleculă care se poate deplasa pe o suprafață din cupru.

Acesta ajută la supervizarea unui proiect de cercetare finanțat de UE, care își propune să instruiască oamenii de știință aflați la început de carieră în legătură cu mașinile moleculare. Denumit BIOMOLMACS,// „Molecular Machines Functioning in Cells”, cordis.europa.eu // proiectul are o durată de patru ani și jumătate, urmând să se încheie în iunie 2024.

Deși nu au ajuns încă în spitale, nanomașinile au potențialul de a trata pacienții cu cancer în moduri care îi entuziasmează pe oamenii de știință și pe medici. Medicamentele folosite astăzi pentru tratarea cancerului au deseori efecte adverse precum pierderea părului, senzația de greață, oboseala sau slăbirea sistemului imunitar. Aceasta deoarece medicamentele respective pot mutila și celulele sănătoase.

Un viitor scenariu ar putea implica nanomașini care transportă cu precizie medicamente menite să ucidă celulele canceroase ale unui pacient, sfredelind și pătrunzând în orice tumoare.

Prof. Maria Vicent de la Fundația pentru Cercetare în Biomedicină din Valencia (Spania) este supervizor în cadrul proiectului BIOMOLMACS și concepe mici transportoare menite să livreze medicamente celulelor cancerului de sân.

Un alt supervizor este prof. Jan van Hest de la Universitatea Tehnică din Eindhoven, în Țările de Jos. Acesta construiește materiale care pot fi folosite pentru a transporta vaccinuri sau nanomedicamente în celule, inclusiv în cele canceroase.

Alături de Van Hest, Vicent și Feringa, contribuie cu expertiza lor și alți cercetători de seamă din Europa.

Prof. Remzi Becer de la Universitatea din Warwick (Marea Britanie) creează nanoparticule de polimeri concepute să trimită viitoare terapii genetice în locații precise din interiorul pacienților. Particulele sunt adesea zaharuri placate deoarece pot acționa ca o cheie pentru a deschide celulele din corp. 

„Aceste zaharuri sintetice pot interacționa cu membranele celulelor și îi pot da particulei o cheie pentru a deschide ușa și a transfera o genă în interiorul celulei”, spune Becer, care este mentor pentru doi oameni de știință aflați la început de carieră și coordonează întregul proiect cu 15 doctoranzi. 

Tot în Marea Britanie, prof. Robin Shattock de la Imperial College London lucrează la nanoparticule lipidice, niște sfere minuscule alcătuite din grăsimi care pot pătrunde în siguranță în celule. Nanoparticulele lipidice au reprezentat un real progres în conceperea vaccinurilor pentru COVID-19. 

Talente în devenire

Studenții acestor cercetători europeni de top pot fi parte a noului val din medicină. 

„Următoarea evoluție majoră pentru industria farmaceutică va fi să instruim genele umane să prevină cancerul sau să lupte împotriva acestui flagel”, spune Becer. 

Acesta mai spune că BIOMOLMACS poate pregăti oamenii de știință să urmeze o carieră la unele dintre companiile care dezvoltă nanomașini menite să livreze astfel de terapii biologice către organe specifice.

În același timp, dr. Ana Santos, din cadrul proiectului REBELLION, speră că munca ei va schimba viața pacienților cu cancer, care pot fi mai vulnerabili la infecțiile bacteriene din cauza tratamentelor urmate. 

„Buna mea prietenă a învins cancerul, dar a fost răpusă apoi de o infecție”, spune aceasta. „Îmi aduc aminte cuvintele medicului: «bacteria este rezistentă la orice, nu putem face nimic»”. 

Obiectivul său este să prevină ca medicii să mai fie nevoiți să rostească astfel de cuvinte. 

Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate de UE prin acțiunile Marie Skłodowska-Curie (MSCA). Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene. Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.