Das Füllen der Taschen eines Keims mit Gold könnte eine praktische Möglichkeit sein, eine Infektion zu beenden. Frustrierenderweise haben sich Wissenschaftler schwer getan, diesen Wissensschatz in eine praktische antimikrobielle Therapie zu verwandeln.
Forscher der Southern University of Science and Technology und der Fudan University in China und der University of Leeds in Großbritannien haben sich kürzlich zusammengetan, um Gold-Nanocluster neu zu verpacken, um sie für Bakterien attraktiver und für unseren eigenen Körper weniger schädlich zu machen.
Durch das Verweben des Goldes in zwei Moleküle mit unterschiedlicher elektrostatischer Klebrigkeit baute das Team ein Partikel, das das Potenzial hat, Löcher in die Abwehr vieler gängiger bakterieller Krankheitserreger zu schlagen, ohne das umliegende Gewebe zu schädigen.
Auf den ersten Blick scheint Gold keine offensichtliche Behandlung zur Abtötung von Keimen zu sein. Reduziert zu feinem, nanoskaligem Staub, kann dieses schwere Element ernsthafte Schäden anrichten.
Eine Möglichkeit, wie Goldnanopartikel dies erreichen, besteht darin, chemische Reaktionen zu erleichtern, die Sauerstoffspezies freisetzen, die DNA schädigen können. Eine andere besteht darin, die Zellmembranen zu stören und sie für verschiedene toxische Substanzen wie Antibiotika durchlässiger zu machen. Sie können auch Licht von einem Laser mit hoher Effizienz absorbieren, wodurch sie ihre Umgebung aufheizen und rösten.
Leider unterscheiden solche praktischen Methoden zur Beseitigung von Infektionen nicht immer Bakterien vom Wirt und gefährden unsere eigenen Zellen durch Gold-Nanopartikel-Therapien.
Was benötigt wird, ist eine Möglichkeit, Bakterien zu ermutigen, so viel Gold wie möglich aufzunehmen, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass unsere eigenen Zellen nicht dasselbe tun.
In den letzten Jahren haben Ingenieure das Verhalten von Gold-Nanopartikeln auf zwei Arten manipuliert.
Eine besteht darin, ihre Größe genau zu kontrollieren. Wenn die Partikel unter zwei Nanometern gehalten werden, können die Partikel besser durch unsere Nieren gleiten und unseren Körper schneller verlassen. Daher konzentrierten sich die Forscher darauf, die Größe ihrer Cluster auf nur 25 Atome zu begrenzen.
Die zweite besteht darin, „klebrige“ chemische Strukturen, sogenannte Liganden, einzubauen, die verschiedene Eigenschaften verleihen, die es ermöglichen, sie leicht zu verfolgen oder die Form des Partikels zu kontrollieren.
In diesem Fall hoffte das Team, dass die negativ geladenen Bakterienzellen durch die Anwendung eines positiv geladenen Liganden auf die Cluster das Gold anziehen würden, wie ein Pullover Katzenhaare anzieht.
Die Partikel weiter zu optimieren, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass sie den Körper des Wirts beeinträchtigen, würde einen großen Beitrag dazu leisten, die Goldtherapie in eine klinische Realität zu verwandeln. Frühere Studien hatten jedoch wenig Glück, Goldnanopartikel mit etwas mehr als einem einzigen Liganden zu bedecken, da Methoden zur Integration von Liganden mit unterschiedlichen Talenten in der Regel inkompatibel sind.
Dieses Mal hatte das Team eine Erfolgsformel, die auf einer Kombination aus einer positiv geladenen Verbindung namens Pyridinium und einem Zwitterion basiert, einer Verbindung, die sowohl positiv als auch negativ geladene Gruppen aufweist.
Das Pyridinium trägt dazu bei, das Gold für Bakterien attraktiver zu machen. Das Zwitterion wurde basierend auf früheren Studien ausgewählt, die eine verbesserte Stabilität und erhöhte Kompatibilität mit tierischen Geweben zeigten.
Auf Methicillin-resistent getestet Staphylococcus epidermidis (MRSE) hatten die verstärkten Goldnanocluster einen deutlichen Einfluss auf die Aggregationsfähigkeit der Bakterien. Es erzeugte auch reaktive Sauerstoffspezies und beeinträchtigte die Integrität seiner Membranen.
Besser noch, wenn es dann mit verschiedenen Antibiotika dosiert wurde, sank die Zahl des Bakteriums. In einem Fall nahm die zur Hemmung des MRSE-Wachstums erforderliche Dosis um mehr als das 100-fache ab.
Tests an Ratten mit MRSE-Hautinfektionen haben dazu beigetragen, dass die Goldnanopartikel die Heilung unterstützten, ohne dass sie lästig waren.
“Durch die systematische Abstimmung des Verhältnisses der beiden Liganden haben wir einen Weg gefunden, Gold-Nanocluster nicht nur als wirksame antimikrobielle Wirkstoffe zu verwenden, sondern auch als Mechanismus zur Verstärkung der Wirksamkeit von Antibiotika, die aufgrund von bakterieller Arzneimittelresistenz wirkungslos geworden sind.” sagt Dejian Zhou, ein Chemieingenieur aus Leeds.
“Die Forschung hat eine Bedeutung für die Art und Weise, wie wir über die Reaktion auf antimikrobielle Resistenzen nachdenken sollten.”
Die zunehmende Resistenz gegen Antibiotika ist eines der dringendsten Probleme der modernen Medizin und droht, einige unserer wertvollsten Abwehrmaßnahmen gegen Infektionen nutzlos zu machen.
Neue Wege zu finden, um Bakterien abzutöten, ist schön und gut. Aber es wäre auch eine große Erleichterung, Wege zu finden, an unserem Fundus an bestehenden Behandlungen festzuhalten.
Dies könnte im wahrsten Sinne des Wortes eine einmalige Gelegenheit sein, uns eine zweite Chance zum Schutz vor Krankheiten zu geben, die im Laufe der Geschichte so viele Menschenleben gekostet haben.
Diese Studie wurde veröffentlicht in Chemische Wissenschaft.