Dawno, dawno temu ludzie uważali, że antybiotyki na zawsze pozostaną panaceum na wszystkie schorzenia bakteryjne. I choć nie brzmi to prawdziwie, powszechny dostęp do antybiotykoterapii sprawił, że wiele osób w to uwierzyło. Antybiotyki pozwalają na zwalczenie wielu patogenów, jednak z roku na rok stają się coraz mniej skuteczne. Wynika to z szerzącą się wśród bakterii oporność, będącej efektem nadużywania antybiotyków przed ostatnie dekady. Dlatego, naukowcy dwoją się i troją aby pokonać szczepy bakterii odporne na komercyjnie dostępne antybiotyki.

Wraz z wytworzeniem pierwszych antybiotyków ludzkość stawiła czoła wielu patogenom przezwyciężając wiele groźnych chorób, takich jak gruźlica czy tyfus. Antybiotyki zrewolucjonizowały medycynę wydłużając długość życia i przyspieszyła rozwój farmacji dostarczając coraz więcej leków przeciwko wielu groźnym patogenom. Niemniej jednak nadużywanie antybiotyków doprowadziło do pojawienia się oporności na antybiotyki, stając się jednym z największych zagrożeń dla zdrowia na całym świecie. W rezultacie, antybiotykooporność wielu szczepów bakterii rozwija się w zawrotnym tempie sprawiając, że niektóre szczepy są odporne na niemal wszystkie komercyjnie dostępne leki. Stąd poszukiwania związków mogących sprostać antybiotykoopornym patogenom jest na wagę złota.

Podążając tym tropem zespół naukowców z IChF PAN pod kierunkiem prof. Jana Paczesnego zaproponował hybrydyowe nanocząstki na bazie srebra do zastosowania przeciwko powszechnym i problematycznym patogenom, takim jak bakterie z grupy ESKAPE (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa i Enterobacter spp.) oraz innym patogenom takim jak drożdżaki Candida auris czy Cryptococcus neoformans. Mikroorganizmy te, zwalczane dostępnymi na rynku antybiotykami, szybko rozwijają oporność na antybiotyki. Naukowcy wybrali patogeny ESKAPE jako grupę docelową, gdyż mogą prowadzić do wielu poważnych chorób, od sepsy po nawet raka. I tu zaczyna się historia...

Kilka miesięcy temu, zespół prof. Paczesnego postanowił połączyć nanocząstki srebra, które są znane ze swoich właściwości przeciwbakteryjnych i przeciwgrzybiczych oraz ekstrakty z herbaty bogate w polifenole posiadające właściwości przeciwutleniające. Taka kombinacja została zaproponowana celem zwiększenia skuteczności o szerokim spektrum działania, stawiając czoła patogenom o wiele skuteczniej niż powszechnie znane antybiotyki. Dlaczego zaproponowane nanocząstki są tak wyjątkowe? Tajemnica tkwi w ich składzie chemicznym. Nanocząstki srebra uzyskano stosują trzy, powszechnie znane odmiany herbaty: czarna herbata (B-Tea), zielona herbata (G-Tea) i czerwona herbata Pu-erh (R-Tea), przy czym herbata posłużyła jako czynnik wytrącający nanocząstki z roztworu pełniąc jednocześnie funkcję stabilizatora chroniącego otrzymane struktury przed agregacją zachowując wysoce rozwiniętą powierzchnię. Co więcej, synteza nanocząstek srebra z użyciem herbat jest przyjazna dla środowiska zastępując wiele związków chemicznych. W badaniach wykazano, że wytworzone struktury różnią się kształtem i rozmiarem (od 34 do 65 nm), w zależności od rodzaju herbaty użytej podczas syntezy, i wykazują różną reaktywność wobec mikroorganizmów.

Początkowo, nanocząstki srebra wytwarzane w obecności ekstraktów z herbaty (B-TeaNPs, G-TeaNPs i R-TeaNPs) zostały wykorzystane do zwalczania przedstawicieli bakterii Gram-ujemnych (E. coli – pałeczka okrężnicy) i Gram-dodatnich (E. faecium)  różniących się budowlą osłon komórkowych. Następnie, nanocząstki przetestowano na patogenach grupy ESKAPE, zgodnie z protokołem zapewniającym najskuteczniejszą eliminację bakterii, wykazując nawet 55% spadek liczby bakterii S. aureus (gronkowiec złocisty) i 90% spadek w przypadku E. cloacae  w ciągu jedynie 3 godzin. Przyjrzano się również interakcjom między wytworzonymi nanocząstkami a patogenami w celu określenia skuteczności, porównując wyniki z dostępnymi na rynku antybiotykami. Ponadto, choć do tej pory powszechnie uważano, że srebro jest nieskuteczne wobec drożdży, otrzymane nanocząstki wykazywały aktywność przeciwgrzybiczą, prowadząc do 80% spadku dla szczepu C. auris i około 90% spadku w przypadku C. neoformans.

Pierwsza autorka badań, Sada Raza, twierdzi: "Cytotoksyczne działanie nanomateriałów jest często związane z rozmiarem nanocząstek, gdzie mniejsze cząstki są z reguły bardziej cytotoksyczne. Tego samego spodziewaliśmy się dla otrzymanych nanocząstek. Jednak, w badaniach  mniejsze nanocząstki - C-AgNP i R-TeaNP - wykazywały najniższą skuteczność przeciwdrobnoustrojową. Mimo pozornej sprzeczności, jest to zgodne z nowszymi badaniami, które wykazały, że rozmiar nie jest głównym czynnikiem wpływającym na aktywność przeciwdrobnoustrojową nanocząstek srebra".

Właściwości przeciwbakteryjne i przeciwgrzybicze nanocząstek srebra otrzymanych z użyciem ekstraktów herbaty są większe niż w przypadku samych nanocząstek bez dodatków ze względu na wysoką zawartość związków fenolowych, izoflawonoidów (zwłaszcza katechin, takich jak epigalokatechina (EGC) i galusan epigalokatechiny (EGCG)) w ekstraktach z herbat. Zastosowanie ekstraktów nie tylko zwiększa efektywość działania przeciw patogenom ale także pozwala na redukcję ilości samych nanocząstek srebra. Zatem, zaproponowane nanoformulacje wydają się być potencjalnym sposobem zwalczania szeregu infekcji, a nawet zastępowania antybiotyków w niektórych przypadkach.

 "W naszych badaniach wykazaliśmy, że nanocząstki srebra zsyntetyzowane z ekstraktami z herbaty mają wyższe właściwości antybakteryjne niż same nanocząstki srebra bez dodatków. Dzięki temu, można było stosować niższe dawki nanocząstek (nawet 0,1 mg mL−1 ). Potwierdziliśmy, że w niektórych przypadkach synergistyczne działanie ekstraktów z herbaty i nanocząstek srebra pozwoliło uzyskać skuteczność wyższą niż w przypadku wybranych antybiotyków (ampicyliny i piperacyliny), gdy testowano je w tych samych stężeniach (0,1 mg mL−1 ) i po stosunkowo krótkim czasie ekspozycji wynoszącym trzy godziny." - zauważa Mateusz Wdowiak, współautor pracy.

Naukowcy odkryli, że hybrydowe nanocząstki spowodowały znaczną redukcję ilości bakterii w porównaniu z antybiotykami. Chociaż nie wszystkie bakterie zostały usunięte, to efekt jest znaczący i może pomóc w zwalczaniu tzw. superbakterii przy użyciu znacznie niższych dawek niż inne dostępne na rynku związki. Ilość hybrydowych nanocząstek srebra potrzebna do pokonania bakterii lub infekcji grzybiczych jest niezwykle niska, co czyni je opłacalnymi, więc kluczem do ich dobrego wykorzystania jest nie tylko funkcjonalność, ale także pozwala na redukcję kosztów ich zastosowania.

Zaproponowane nanocząstki można również zaadaptować do zwalczania innych trudnych do leczenia infekcji bakteryjnych. Nowe struktury opracowane przez naukowców z IChF PAN mogą przybliżyć nas o krok do skutecznego zwalczania śmiertelnie niebezpiecznych opornych na leki superbakterii, stanowiąc alternatywę dla komercyjnie dostępnych antybiotyków przeciwko zarówno bakteriom Gram-ujemnym jak i Gram-dodatnim. Badanie to pokazuje również, jak wiele jest jeszcze do zrobienia w tej dziedzinie.

Kolejnym celem naukowców jest wykorzystanie nanocząstek w życiu codziennym, począwszy od zastosowań rolniczych, zastępując szkodliwe związki stosowane na polach w celu przezwyciężenia infekcji roślin i przybliżenia nas do rolnictwa ekologicznego. Na większą skalę proponowany materiał mógłby być również wykorzystywany w zastosowaniach biomedycznych, takich jak dodatek do opatrunków na rany w celu ochrony przed bakteriami Gram-ujemnymi i Gram-dodatnimi. Naukowcy mają nadzieję wykorzystać nanotechnologię do opracowania bardziej ukierunkowanych metod leczenia lekoopornych superbakterii.

Ich praca została opublikowana w czasopiśmie Nanoscale Advances i uzyskała dofinansowanie z Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu SONATA BIS o numerze 2017/26/E/ST4/00041 oraz Fundacji na rzecz Nauki Polskiej z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach projektu POIR.04.04.00-00-14D6/18-00 "Hybrydowe platformy czujnikowe dla zintegrowanych systemów fotonicznych opartych na materiałach ceramicznych i polimerowych (HYPHa)" (program TEAM-NET).