Polskie „nanokwiaty” pomogą w leczeniu groźnej choroby kości

Naukowcy z Polski opracowali mikroskopijne „nanokwiaty”, które pozwalają podawać antybiotyk bezpośrednio do zakażonej kości. Dzięki temu lek działa szybciej, skuteczniej i mniej toksycznie. Może to być przełom w leczeniu osteomyelitis – groźnej choroby kości i szpiku, która może prowadzić do martwicy kości oraz zaburzeń wzrostu u dzieci.

Jednym z kierunków nowoczesnej nanotechnologii jest poszukiwanie sposobów precyzyjnego dostarczania leków dokładnie w te miejsca, w których są potrzebne – z pominięciem zdrowych tkanek i ograniczeniem ogólnoustrojowej toksyczności. Takie podejście pozwala zwiększyć skuteczność terapii i jednocześnie zmniejszyć ryzyko działań niepożądanych, co jest szczególnie istotne w leczeniu nowotworów, ale też takich chorób jak ciężkie zapalenie kości i szpiku (osteomyelitis).

Osteomyelitis – jedna z najtrudniejszych do wyleczenia chorób zakaźnych

Osteomyelitis uznawane jest za jedną z najtrudniejszych do wyleczenia chorób zakaźnych. Rozwija się w efekcie infekcji bakteryjnej, najczęściej pałeczką ropy błękitnej lub gronkowca złocistego. Może wystąpić u każdego, choć najczęściej dotyczy dzieci poniżej 13. roku życia, pacjentów po urazach oraz osób po zabiegach chirurgicznych. W skrajnych przypadkach prowadzi do martwicy kości, co może skończyć się amputacją kończyny, a u najmłodszych – do zaburzeń wzrostu i przewlekłych deformacji.

Leczenie tej choroby wymaga wielotygodniowego podawania silnych antybiotyków, takich jak cyprofloksacyna czy wankomycyna. Terapia bywa jednak trudna i nieskuteczna, ponieważ bakterie mogą znajdować się w słabo ukrwionych fragmentach kości, gdzie lek dociera w ograniczonych ilościach lub w biofilmach, które chronią przed działaniem farmaceutyku i odpowiedzią immunologiczną organizmu. Dodatkowo tak silne środki często wywołują poważne skutki uboczne, w tym uszkodzenie nerek, wątroby czy zaburzenia hematologiczne.

„Nanokwiaty” zbudowane z dwóch komponentów

Z tego powodu dr hab. Kamila Sadowska – prof. Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN – szukała nowych sposobów podawania antybiotyku, wprost do miejsca zakażenia, gdzie doszło do uszkodzenia kości. Badaczka wraz ze współpracownikami z Wydziału Chemii UW, Politechniki Gdańskiej i Uniwersytetu Medycznego w Lublinie wykorzystała do tego stworzone przez siebie nanostruktury.

Jak opowiedziała w rozmowie z PAP dr Sadowska, mają one bardzo nietypową formę – przypominają kwiaty. – Nasze nanokwiaty są zbudowane z dwóch komponentów: organicznego, którym jest białko, w tym przypadku – albumina surowicy bydlęcej (BSA), i nieorganicznego – zwykle fosforanów metali – wyjaśniła.

Taki dobór składników nie jest przypadkowy. Sama tkanka kostna ma bowiem również budowę hybrydową: składa się z części białkowej i mineralnej, co zwiększa powinowactwo nośnika do tkanki.

– W badaniach wykorzystujemy albuminę surowicy bydlęcej, choć docelowo będzie to białko surowicy ludzkiej lub kolagen, które naturalnie występują w organizmach ssaków – zaznaczyła dr Sadowska.

Ważny jest jednak także dobór składnika nieorganicznego, który decyduje o właściwościach całej struktury. Chemiczka przypomniała, że chociaż pierwsze nanokwiaty wytwarzano z wykorzystaniem jonów miedzi, ich zastosowanie w medycynie było bardzo ograniczone, ponieważ miedź w wyższych stężeniach jest toksyczna dla organizmu. Dlatego zaczęto poszukiwać innych rozwiązań.

Wykorzystanie fosforanu wapnia w postaci hydroksyapatytu

Jednym z kierunków badań dr Sadowskiej było wykorzystanie fosforanu wapnia w postaci hydroksyapatytu – związku, który jest naturalnym składnikiem budulcowym kości. Jego zastosowanie pozwoliło otrzymać nanostruktury przypominające budową tkankę kostną, co opisano we wcześniejszej publikacji zespołu. – Jednak dalej poszukujemy innych jonów metalu, które chętniej tworzą z białkami kompleksy nanokwiatów, co zwiększa wydajność reakcji, istotną dla rzeczywistych zastosowań. W najnowszej publikacji skupiliśmy się na fosforanie cynku, który spełnia te warunki – opowiedziała badaczka.

W celu wytworzenia nanokwiatów do roztworu białka w buforze fosforanowym dodaje się wodny roztwór soli wybranego metalu. Na skutek wzajemnych oddziaływań jony metalu i cząsteczki białka zaczynają się spontanicznie organizować. Formują się pierwsze niewielkie struktury, swego rodzaju zarodki krystalizacji, które stopniowo się rozrastają, tworząc charakterystyczne układy zbudowane z wielu drobnych „płatków”.

Dr Sadowska zauważyła, że już same nanokwiaty podane w miejscu zakażenia mogą wspomagać regenerację kości. W badaniu chodziło jednak o to, by połączyć je z cząsteczkami antybiotyku, co pozwalałoby jednocześnie aktywnie zwalczać bakterie wywołujące osteomyelitis. Kolejnym krokiem było więc wprowadzenie do materiału cyprofloksacyny.

„Nanokwiaty” skutecznie hamują wzrost patogennych bakterii

Analizy laboratoryjne potwierdziły, że cząsteczki leku skutecznie wbudowały się w strukturę nośnika, a testy biologiczne in vitro oraz na modelach zwierzęcych wykazały, że nanokwiaty skutecznie hamują wzrost patogennych bakterii przy jednocześnie niskim poziomie toksyczności i dobrej tolerancji komórkowej, co wskazuje, że opracowany system może stanowić bezpieczną platformę do miejscowego dostarczania leków.

– Kiedy antybiotyk podaje się ogólnoustrojowo, np. dożylnie lub doustnie, rozprowadza się on w całym organizmie, oddziałując również na zdrowe tkanki. W przypadku zapalenia kości i szpiku uzyskanie terapeutycznego stężenia leku w miejscu infekcji często wymaga wysokich dawek i długotrwałej terapii, co zwiększa ryzyko działań niepożądanych. Kość jest stosunkowo słabo ukrwiona w obszarze infekcji, co dodatkowo utrudnia leczenie. Opracowany przez nas system nanokwiatów umożliwia skoncentrowane dostarczenie antybiotyku bezpośrednio do miejsca zakażenia, potencjalnie zmniejszając konieczność stosowania wysokich dawek ogólnoustrojowych – podkreśliła dr Sadowska.

W jej opinii takie podejście jest szczególnie istotne, ponieważ zakażenia bakteryjne w kości mogą być bardzo rozległe – czasami obejmują nawet jedną trzecią objętości kości i wymagają chirurgicznego usunięcia zainfekowanego szpiku, pozostawiając ubytek w tkance. Wczesne podanie antybiotyku w miejscu zakażenia pozwala skutecznie niszczyć bakterie, a wbudowana w nanokwiaty struktura organiczno-mineralna jednocześnie wspomaga regenerację tkanki kostnej i przyspiesza proces gojenia. Zwiększa to szansę na skuteczne leczenie i ogranicza konieczność inwazyjnych zabiegów.

Źródło: https://naukawpolsce.pl