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研究人員使用細菌制成的納米顆粒來對抗抗生素耐藥性感染

科技 2019-09-20 09:25:57

據估計,全世界每年有70萬人死于抗生素耐藥性感染,包括大腸杆菌,葡萄球菌和肺炎。如果目前的趨勢繼續下去,一些預測稱,到2050年,每年的死亡人數可能會增加到1000萬,超過了所有癌症死亡人數的總和。

東北大學化學工程教授托馬斯韋伯斯特說,由那些抗生素抗性細菌制造的微觀顆粒可以取代傳統的抗生素,為這一迫在眉睫的危機提供解決方案。

韋伯斯特和他的同事正在利用細菌生産納米顆粒,金屬顆粒的寬度在1到100納米之間。(單根頭發的寬度約為80,000納米。)研究人員發現,這些納米粒子在殺死用于制造它們的任何類型細胞方面特别有效,包括對傳統抗生素有抗藥性的細菌菌株。

“這些由生物體制造的顆粒實際上比通過合成化學制造的顆粒更好,”韋伯斯特說,他也是東北地區工程藝術的Zafiropoulo主席。“他們可以選擇性地靶向制造它們的細菌或細胞。”

由于納米顆粒尺寸小,可以通過從外部扼殺細胞或破壞細胞内部細胞功能來破壞細胞。困難的部分是确保納米粒子隻殺死他們應該的細胞。

“我們體内有很多非常好的細菌,”韋伯斯特說。“你隻想殺死有害的人。”

納米粒子通常使用化學反應合成産生。但是,通過給細菌或其他細胞喂食正确的化合物,研究人員已經能夠利用細胞的内部機制來合成納米粒子。

雖然研究人員不确定為什麼這些納米粒子專門針對他們的創造者,但韋伯斯特實驗室的博士生David Medina表示,細菌可能誤認為納米粒子是“友好的”。

細菌細胞能夠彼此識别。他們可能會采取行動打擊那些注冊為外國的東西,但他們可以共存并與自己的種類合作。當細菌制造納米粒子時,它們會将它們塗在薄薄的蛋白質中。蛋白質層可能使同一物種的其他細菌标記為“友好”,讓納米粒子接近。

“天然塗層來自細菌,”梅迪納說。“他們把它拉進去,認為它與他們類似。但是,他們發現了一個驚喜。”

由于這種欺騙,麥地那将納米粒子稱為“納米特洛伊木馬”。而且,正如科學中經常發生的那樣,這一發現是一次幸福的事故。

他說,韋伯斯特實驗室已經使用納米粒子工作了20年,但與大多數研究人員一樣,他們通過合成化學制造這些納米粒子。

“有時在這個過程中,你必須使用相當有毒的材料,”韋伯斯特說。當Medina在實驗室開始他的博士研究時,他希望專注于更加環保的方法。“通過大衛的努力,我們是真正開創這一領域的少數幾個實驗室之一,我們稱之為綠色納米醫學,您可以使用環保材料或生物體制造納米顆粒。”

納米粒子在醫學和其他領域有許多潛在的用途,但麥地那決定看看他是否能夠殺死細菌。他開始種植細胞集落,混合金屬鹽供它們加工,然後将結果純化成納米顆粒。然後,他将這些納米粒子與不同種類的細菌混合,看看納米粒子是否可以殺死它們。

有一天,他犯了一個錯誤。

“我真的很累,”麥地那說。“我正在準備實驗,而不是将納米粒子與不同的細菌混合,而是将它們混合在一起。”

納米粒子對他試圖測試的細菌幾乎沒有影響,有效地殺死了産生它們的細菌。

“大衛發現,如果我們将MRSA [抗生素抗性葡萄球菌]制成納米粒子,納米粒子實際上可以選擇性地殺死MRSA,”韋伯斯特說。“而且我們在整個範圍内都能看到這一點。如果你服用了一個乳腺癌細胞并且你編寫了這個細胞來制造納米顆粒,那麼這種納米顆粒在殺死乳腺癌細胞方面比在你體内的健康細胞更具選擇性。完全出乎意料。“

這一發現已經成為麥地那博士論文的中心,可以提供一種方法來對抗越來越多的抗生素耐藥性感染。研究人員還在研究如何使用這些方法設計基于納米顆粒的癌症治療方法。

韋伯斯特說:“我們所做的一切都是為了減少我們用來制造納米粒子的有毒化學品的數量。” “但我們最終發現了一整套納米粒子,這些納米粒子實際上更有效地完成我們想做的事情:殺死細菌或殺死腫瘤細胞。”

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