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Um die steigende Bedrohung durch Pilzinfektionen einzudämmen, entwickelten Forscher Eisenoxid-Nanopartikel als schnelle, wirksame und kostengünstige Antimykotika.
Trotz der Verfügbarkeit antimykotischer Therapien betrachtet die Weltgesundheitsorganisation (WHO) Pilzpathogene als a Ernsthafte Bedrohung für die öffentliche Gesundheit. Candida albicansBeispielsweise handelt es sich um einen weit verbreiteten Hefepilz, der lokale Infektionen wie Mundsoor verursacht und das Potenzial hat, invasiv oder sogar tödlich zu werden.
Aktuelle Therapien mangelt es an schneller und zielgerichteter Wirkung und können zu verschiedenen Nebenwirkungen führen. Darüber hinaus ist der Bereich der Antimykotika-Behandlung von aufkommenden Arzneimittelresistenzen geplagt. Daher benötigen Menschen, die auf Antimykotika der ersten Wahl nicht ansprechen, möglicherweise umfangreiche und kostspielige Zweitlinienbehandlungen.
Hyun (Michel) Koo und Edward Steager, Forscher an der University of Pennsylvania, haben ihre Teams in einer gemeinsamen Anstrengung zusammengebracht, um Mikroroboter einzusetzen, um mikrobielle Filme auf weichen Oberflächen anzugreifen.
„Unsere Studie hat einen neuen Ansatz entwickelt, der winzige Roboterpartikel namens Nanozyme-Mikrobots verwendet, um durch Pilze verursachte Infektionen zu bekämpfen Candida“, sagte Koo in einer E-Mail an ASN. „Diese Nanozyme-Bots können so gesteuert werden, dass sie genau auf die Infektionsstelle zielen und Pilzerreger schnell eliminieren.“
Nanoskalige Partikel mit katalytischen und magnetischen Eigenschaften, sogenannte Nanozyme, haben sich bei der Behandlung bakterieller Infektionen als vielversprechend erwiesen. Da ihre Anwendung als Antimykotika jedoch begrenzt war, entschieden sich Koo und Steager, diese Nanozyme zur Bewältigung dieser Herausforderung einzusetzen.
Wie Nanozyme Pilzzellen töten
Nanozyme aus Eisenoxidpartikeln bieten zwei Vorteile: Sie können durch Magnetismus manipuliert werden und ihre katalytische Fähigkeit kann dabei helfen, Mikroben abzutöten. Wie das in unserem Körper vorkommende Enzym Peroxidase können Eisenoxid-Nanopartikel eine Reaktion auslösen, die Wasserstoffperoxid in zerstörerischere Sauerstoffformen, sogenannte reaktive Sauerstoffspezies, zerlegt, die Pilzzellen abtöten.
Zunächst nutzte das Forschungsteam eine einfache und kostengünstige chemische Reaktion, um Eisenoxidpartikel zu erzeugen, aus denen die Nanozyme-Mikroroboter bestanden. Mithilfe eines von außen angelegten elektromagnetischen Feldes manövrierten die Forscher die Bewegung der Nanozyme so, dass sie vibrierten, rollten, gleiteten oder tupften und sich zu einem bestimmten Ziel bewegten.
Die Form und Bewegung des Nanozyms führt es zu einem bestimmten Ort und beeinflusst seine katalytische Fähigkeit am Zielort. Beispielsweise waren Vibrations- und Tupfbewegungen für eine gezielte Abgabe am förderlichsten. Andererseits entfalteten Rollen und Gleiten am besten das Potenzial des Nanozyms, Wasserstoffperoxid abzubauen.
Nachdem sie den Bewegungsbereich des Nanozyms ermittelt hatten, versuchte das Team zu töten C. albicans mit diesen Mikrorobotern. Die Roboter wurden zusammen mit Wasserstoffperoxid und Pilzzellen in einer Kammer in Kontakt gebracht. Innerhalb von 10 Minuten katalysierten die Nanozyme-Roboter die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies und töteten alle ab C. albicans.
„Um den Biofilm präzise und reproduzierbar mit Nanozyme-Mikrobots zu behandeln, haben wir ein Magnetfeldkontrollgerät und programmierbare Algorithmen entwickelt, die den in unserem Labor entwickelten Zielprozess automatisieren“, sagte Koo. Die Richtung des Magnetfelds und damit die Bewegung der Nanozyme wurde durch vorprogrammierte motorisierte Geräte aufrechterhalten, die sich ständig in Bewegung befanden.
Um die Bindungsspezifität und Abtötungsfähigkeit des Nanozyms in einer realistischeren Umgebung zu analysieren, testeten die Forscher es anhand eines Klumpens oder Sphäroids aus menschlichen Zahnfleischzellen. Die Zellsphäroide des Zahnfleischgewebes wurden mit vermischt C. albicans Zellen, um eine Pilzinfektion nachzuahmen.
Mithilfe von Magnetismus zielten die Forscher darauf ab, die Nanozyme-Mikroroboter an den Pilzzellen festzuhalten und dabei die Zahnfleischzellen zu meiden. Nach dem Einfangen wurden die Nanozym-Pilz-Komplexe in eine kleine Kammer gebracht, wo die Tötungsfähigkeit der Mikroroboter beurteilt wurde.
In Gegenwart von Wasserstoffperoxid stimulierten die Nanozyme erfolgreich die Produktion einer großen Menge reaktiver Sauerstoffspezies, die alle Pilze vor Ort innerhalb von 10 Minuten abtöteten.
Eine Vorliebe für Pilze
Die Forscher machten eine unerwartete Beobachtung: Die Nanozyme hatten eine starke Affinität zu Pilzzelloberflächen – eine Bindungspräferenz, die für die gezielte Abgabe entscheidend sein könnte.
„Wir waren überrascht, dass diese Nanozym-Anordnungen stark an den Pilzzellen hafteten, insbesondere im Vergleich zu menschlichen Zellen“, sagte Koo. „Diese Funktion ermöglicht eine lokalisierte Ansammlung von Nanozymen genau dort, wo sich die Pilze befinden, und folglich eine gezielte Bildung von Antimykotika und eine schnelle Vernichtung von Pilzzellen, ohne sich an menschliches Gewebe zu binden.“
Um die Infektion in einer realitätsgetreuen anatomischen Umgebung zu untersuchen, erstellten die Forscher ein experimentelles Modell der Schleimhaut des infizierten Mauls einer Maus C. albicans. Es wurde erneut festgestellt, dass die Mikroroboter Pilzzellen selektiv binden, was zu einer konzentrierten Abgabe reaktiver Sauerstoffspezies dort führt, wo sie benötigt werden, wodurch Schäden an gesunden Wirtszellen minimiert werden.
Es bedarf weiterer Forschung, um zu verstehen, wie diese Mikroroboter funktionieren. Die Forscher fanden es beispielsweise besonders schwierig, den Standort reaktiver Sauerstoffspezies in Echtzeit zu verfolgen, ein Maß für die Tötungsfähigkeit der Nanozyme.
In Zukunft möchte das Team die Mechanismen besser verstehen, die der spezifischen Bindung zwischen Nanozym-Mikrorobotern und anderen zugrunde liegen C. albicans Zellen. Ein besseres Verständnis der Bindungsdynamik könnte Aufschluss darüber geben, ob die Nanozyme auf andere Mikroorganismen abzielen könnten. Koos Team möchte die Nanozyme auch anhand von Tier- und klinischen Modellen testen und validieren.
Trotz einiger Ungewissheiten bieten diese Mikroroboter offenbar eine schnelle, gezielte und kostengünstige Möglichkeit, durch Infektionen verursachte Infektionen auszurotten C. albicans. „Unsere Ergebnisse öffnen Türen für die Entwicklung besserer antimykotischer Therapien mit Nanozymen, die wirksamer sein, die Entwicklung von Arzneimittelresistenzen verringern und die Arzneimittelabgabe ohne Nebenwirkungen im Vergleich zu aktuellen Methoden verbessern könnten“, sagte Koo.
Referenz: Edward Steager, Hyun Koo, et al., Nanozyme-basierter Robotik-Ansatz zur Bekämpfung von Pilzinfektionen, Fortgeschrittene Materialien (2023). DOI: 10.1002/adma.202300320
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