Rosja: Nanocząsteczki przeciwko superinfekcjom

Rosyjscy naukowcy z ITMO opracowali platformę przesiewową do identyfikacji nanocząstek, które są selektywnie toksyczne dla bakterii chorobotwórczych, ale bezpieczne dla pożytecznych mikroorganizmów.

Według artykułu, praca ta będzie przydatna w medycynie i rolnictwie: pomoże zwalczać infekcje bakteryjne, takie jak zapalenie płuc, które rozwinęły odporność na tradycyjne antybiotyki.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy wykorzystali technologie sztucznej inteligencji, takie jak uczenie maszynowe i algorytmy generatywne.

Antybiotyki są stosowane do zwalczania infekcji bakteryjnych – do leczenia chorób ludzi i zwierząt, do opracowywania leków i szczepionek, do ochrony upraw i roślin oraz do przedłużania okresu przydatności do spożycia żywności.

Jednak częste stosowanie antybiotyków prowadzi do antybiotykooporności – bakterie stają się odporne na taką profilaktykę i staje się ona nieskuteczna.

Nanocząsteczki na bazie srebra, złota, tlenku cynku lub tlenku miedzi mogą być alternatywą dla antybiotyków.

Technologia ta ma zalety i wady: nanocząsteczki mogą hamować wzrost bakterii opornych na antybiotyki i zabijać infekcję, ale zabijają również korzystne mikroorganizmy ważne dla trawienia i układu odpornościowego.

Tradycyjna metoda syntezy i testowania nanomateriałów jest czasochłonna i pracochłonna oraz nie pozwala na określenie selektywnej toksyczności nanocząstek – zdolności do zabijania tylko szkodliwych bakterii bez wpływu na te korzystne.

Dzieje się tak, ponieważ nie wiadomo jeszcze, w jaki sposób parametry nanocząstek (kształt, rozmiar i skład) odnoszą się do ich właściwości selektywnej toksyczności.

Naukowcy z Klastra Chemii i Biologii ITMO jako pierwsi na świecie wykorzystali sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe do opracowania platformy do poszukiwania nanocząstek o selektywnej toksyczności do zwalczania bakterii chorobotwórczych.

„Opracowaliśmy platformę przesiewową do identyfikacji nanocząstek, które selektywnie celują i zabijają szkodliwe bakterie, takie jak te wywołujące zapalenie płuc, pozostawiając korzystne mikroorganizmy bez szwanku.

Podejście to będzie przydatne w leczeniu wszystkich infekcji opornych na antybiotyki i może zapewnić nowy sposób walki z chorobami, z którymi obecne antybiotyki nie są w stanie sobie poradzić.

Nanocząstki te mogą być stosowane zarówno w medycynie, jak i rolnictwie w celu ochrony upraw i zwierząt gospodarskich przed opornymi infekcjami patogennymi” – wyjaśnia pierwsza autorka artykułu, Sussan Dzhakhvo, doktorantka trzeciego roku w Klastrze Chemii i Biologii SCAMT Uniwersytetu ITMO.

Aby opracować platformę przesiewową, naukowcy z ITMO zgromadzili bazę danych zawierającą około 2 000 próbek opisanych w ponad 70 artykułach naukowych.

Baza danych zawierała właściwości fizykochemiczne nanocząstek, parametry biochemiczne bakterii i wyniki eksperymentów.

Wszystkie informacje zostały przeanalizowane przy użyciu uczenia maszynowego i algorytmu genetycznego. Ten ostatni opiera się na zasadach selekcji naturalnej i genetyki: nanocząstki są wybierane, ich parametry, takie jak rozmiar, kształt i skład, są krzyżowane i wybierane są optymalne warianty.

W ciągu jednej sekundy algorytm genetyczny wybrał ponad 500 próbek, najbardziej odpowiednich do testowania w eksperymentach laboratoryjnych.

Korzystając z platformy, naukowcy odkryli, że nanocząsteczki tlenku miedzi selektywnie zabijały bakterie Staphylococcus aureus, podczas gdy nanocząsteczki tlenku cynku selektywnie zabijały bakterie Klebsiella pneumoniae.

Oba nanomateriały pozostawiają nienaruszone niepatogenne bakterie Bacillus subtilis.

W przyszłości naukowcy z ITMO planują wybrać selektywnie toksyczne nanocząsteczki, które mogą być łączone z antybiotykami w celu zwiększenia ich skuteczności klinicznej przeciwko infekcjom.

Oprócz opracowywania leków, selektywne nanomateriały mogą być potencjalnie wykorzystywane do diagnostyki chorób oraz opracowywania testów i biosensorów.

W dłuższej perspektywie rozwój ten mógłby zwiększyć szybkość i dokładność wykrywania bakterii chorobotwórczych zarówno w próbkach pobranych od pacjentów klinicznych, jak i w produktach spożywczych.

Jednak w tym celu naukowcy muszą jeszcze zbadać toksyczność i immunogenność (zdolność do wywoływania odpowiedzi immunologicznej) selektywnych nanocząstek na komórkach ludzkich w testach in vitro i in vivo.

Na podstawie