Ученые доказали, что нанокластеры золота повысили эффективность антибиотиков

17:20 23 Ноябрь Киев, Украина

Команда ученых использовала нанокластеры золота против штаммов бактерий, проявляющих множественную стойкость к лекарственным препаратам. Ядро из 25 атомов золота было функционализировано двумя лигандами: пиридинием — катионом, обеспечивающим бактерицидное действие, и цвитеррионом, отвечающим за стабильность и биосовместимость с клетками макроорганизма. Такие наночастицы золота эффективно уничтожали устойчивые к антибиотикам грамположительные бактерии, а их использование совместно с антибиотиками повысило антибактериальную активность препаратов против мультирезистентных бактерий как в культурах клеток, так и в опытах на животных. Кроме того, нанокластеры золота хорошо выводились почками и не повредили ткани макроорганизма, опубликованные в журнале Chemical Science.

Зачем менять уже существующие антибиотики?

Инфекции, вызванные мультирезистентными бактериями (устойчивыми ко многим антибиотикам), становятся все более проблемой глобального здравоохранения: за последние годы резистентность патогенных микроорганизмов к препаратам существенно увеличилась. Стремительное распространение в больницах метициллин-резистентного эпидермального стафилококка (МРСЕ) Staphylococcus epidermidis лишь усугубляет ситуацию из-за частых случаев горизонтального переноса генов устойчивости между микробами. Поэтому возникает настоятельная необходимость подобрать новые стратегии лечения резистентных штаммов микроорганизмов и поиска методик усовершенствования уже имеющихся антибиотиков, в том числе — материалов и элементов, которыми можно дополнительно "нагрузить" антибиотики.

Нанокластеры золота как потенциально эффективные антибактериальные средства начали исследовать не так давно. Они могут проявлять несколько антибактериальных действий, приводящих к гибели клеток: разрушать оболочку клетки микроорганизма и доставлять антибиотики внутрь, вызывать образование активных форм кислорода, обеспечивать фототермическое облучение. Нанокластеры золота размером менее 2 нм имеют явное преимущество в быстром почечном клиренсе (скорость очищения организма от лекарства), что снижает потенциальную долгосрочную токсичность металла в организме человека. Среди всех нанокластеров золота наиболее изучены состоящие из 25 атомов и соединенные с одним лигандом. Эти наночастицы являются стабильными, обладают низкой токсичностью, удобны в обработке. Кроме того, можно исследовать их перемещение в живом объекте благодаря стабильной флуоресценции в ближнем инфракрасном диапазоне. Однако открытым оставался вопрос создания упаковки для наночастиц золота, которая обеспечит доставку антибиотиков непосредственно в клетку бактерий и будет безопасной для организма человека. Такими исследованиями занялась команда ученых из Южного университета науки и технологий и Университета Удана в Китае с британскими учеными из Университета Лидса.

Куда и как транспортировали наночастицы золота?

С целью усилить антибактериальный эффект и обеспечить отсутствие повреждений макроорганизма ученые оптимизировали состав наночастиц из 25 атомов золота двумя лигандами и определяли антимикробное действие этого соединения.

Первый лиганд – пиридиний – катион, положительный заряд которого притягивается к отрицательному заряду бактерий. Пиридиниевый лиганд (P₁₂) получили из цетилпиридиния хлорида – коммерческой асептической добавки для слизистой оболочки полости рта. Второй лиганд — цветион (C₅) — электронейтральная молекула, имеющая и положительно, и отрицательно заряженные группы; эти молекулы содержатся и в мембранах клеток млекопитающих, поэтому такие соединения не реагируют с клетками макроорганизма и выводятся с мочой. Цветионный лиганд был введен из-за его биосовместимости, биологической безопасности и низкой склонности к биологическому обрастанию.

Антимикробную активность нанокластеров золота оценивали, используя несколько распространенных грамположительных ( Staphylococcus aureus и его резистентная форма) и грамотрицательных ( Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Pseudomonas aeruginosa ) бактерий. Препараты золота использовали самостоятельно или в сочетании с обычными антибиотиками на клеточном уровне и мышах с кожной инфекцией. Для непосредственного мониторинга биораспределения золотых нанокластеров в организме и возможных проявлений цитотоксичности использовали стабильную флуоресценцию в ближнем инфракрасном диапазоне.

 
Фото: Схема исследования. Нанокластеры золота с лигандами в соотношении P₁₂/C₅ склеивают планктонные бактерии, взаимодействуют с клеточной стенкой бактериальной клетки, поддерживая при этом биосовместимость. Локальные взаимодействия нанокластеров золота с бактериями обуславливают утечку цитоплазмы клетки и ее структурную деформацию, что приводит к гибели клетки. Распределение нанокластеров определяют флуоресценцией в ближнем инфракрасном диапазоне при возбуждении лазером по длине волны 808 нм. Золотые сферы указывают на атомы золота, красные – лиганды P₁₂ (пиридиний), синие – лиганды C₅ (цветтерион). Zeyang Pang et al. / Chemical Science, 2021
 

Схема исследования. Нанокластеры золота с лигандами в соотношении P₁₂/C₅ склеивают планктонные бактерии, взаимодействуют с клеточной стенкой бактериальной клетки, поддерживая при этом биосовместимость. Локальные взаимодействия нанокластеров золота с бактериями обуславливают утечку цитоплазмы клетки и ее структурную деформацию, что приводит к гибели клетки. Распределение нанокластеров определяют флуоресценцией в ближнем инфракрасном диапазоне при возбуждении лазером по длине волны 808 нм. Золотые сферы указывают на атомы золота, красные – лиганды P₁₂ (пиридиний), синие – лиганды C₅ (цветтерион). Zeyang Pang et al. / Chemical Science, 2021

Что удалось добиться, вводя золотые наночастицы?

Выяснилось, что нанокластеры оказывают большее влияние на грамположительные микроорганизмы, поскольку поверхности их клеток отрицательно заряжены, следовательно, имеют сильные электростатические взаимодействия с катионами. Поэтому дальнейшие исследования проводили только на грамположительных штаммах — Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus haemolyticus, Enterococcus faecium и их мультирезистентных формах (МРСЕ, мультирезистентный S. haemolyticus и ванкомицин-резистентный Enterococ00 ), 50%, 10% и 10%.

Ученые установили оптимальное соотношение содержания лигандов. Оказалось, что нанокластеры золота Au₂₅(P₁₂)₈(C₅)₁₀), у которых из двух лигандов 45 процентов приходится на пиридиний (P₁₂), демонстрируют высокую антибактериальную активность, низкую стабильность и цитотоксичность.

Сочетание оптимизированных наночастиц золота с обычными антибиотиками повысило антибактериальную активность против мультирезистентных бактерий, как in vitro , так и на животных. Исследования на мышах проводили при использовании распространенного в больницах штамма S. epidermidis (МРСЕ), у которого установили сильнейшее ингибирование нанокластерами золота. Ученые обработали бактерии тремя антибиотиками разных классов (имипенем, оксациллин и эритромицин), как с нанокластерами золота, так и без них. При использовании наночастиц золота для лечения инфекции было достаточно использовать в 128 раз меньшее количество оксациллина, чем в контроле (когда был применен только антибиотик без частиц металла).

При исследовании скорости заживления ран установили, что использование нанокластеров золота вместе с антибиотиком имипенемом дало лучшие результаты — на девятые сутки кожа была полностью восстановлена, а на двенадцатые сутки численность микроорганизмов была в 10 раз ниже, чем при использовании только наночастиц, и на два. порядки ниже численности контроля.

Стабильность нанокластеров золота in vitro подтвердили в смоделированных биологических жидкостях, установив постоянную флуоресценцию, неизменную в течение 15 суток. Сильную флуоресценцию наночастиц in vivo после внутривенной инъекции нанокластеров золота с антибиотиком имипенемом у мышей наблюдали преимущественно в печени, более низкую – селезенке и почках. Однако определение содержания золота в критических органах показало, что через 96 часов более 80 процентов золота выводилось. Ученые подтвердили хороший почечный клиренс и биосовместимость - наночастицы металла хорошо фильтровались почками и не повреждали ткани макроорганизма.

Ученым удалось синтезировать и оптимизировать состав нанокластеров золота, в которые, кроме 25 атомов золота, вошли еще два лиганда — пиридиниевый и цветионный. Полученные наноматериалы демонстрировали хорошую антибактериальную способность против мультирезистентных грамположительных бактерий, так и высокую стабильность в макроорганизме. За антибактериальное влияние нанокластеров золота на клетки бактерий ответственными определили следующие эффекты: разрушение целостности бактериальной мембраны и изменение ее потенциала; склеивание клеток микроорганизмов; образование активных форм кислорода, окисляющих клеточные структуры. То есть действие наночастиц было направлено на содействие проникновению антибиотиков внутрь бактерий через их поврежденную мембрану, а также на значительное угнетение жизнеспособности бактериальных клеток и создание стрессовых условий, при которых они постепенно погибали. Использование таких оптимизированных биосовместимых нанокластеров золота значительно уменьшило дозу антибиотиков, необходимую для лечения мультирезистентных бактериальных инфекций. Перечисленные преимущества делают такие наночастицы мощным инструментом для биовизуализации, доставки лекарств и терапии. Кроме того, использование таких технологий поможет выиграть время для модификации уже существующих антибиотиков.

Тем не менее, помощь в преодолении патогенных микроорганизмов можно искать без использования антибиотиков. Недавно стало известно, что пептиды тела человека оказывают антибактериальное действие.