Naukowcy z Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk opracowali mikroskopijne „nanokwiaty”, które pozwolą skuteczniej leczyć zakażenia kości. Dzięki nim możliwe jest podanie antybiotyku bezpośrednio do miejsca zakażenia, dzięki czemu lek działa szybciej, skuteczniej i mniej toksycznie. Rozwiązanie może stanowić przełom w leczeniu osteomyelitis, ciężkiej choroby kości i szpiku, która niejednokrotnie jest przyczyną martwicy kości, amputacji kończyny czy zaburzeń wzrostu u dzieci.
Zapalenie kości i szpiku – czym jest i jak się objawia?
Osteomyelitis (zapalenie kości i szpiku) to poważna infekcja bakteryjna (najczęściej wywołana przez pałeczkę ropy błękitnej lub gronkowca złocistego), która prowadzi do uszkodzenia tkanki kostnej. Drobnoustroje wnikają do kości poprzez krew w wyniku zakażenia z innego miejsca ciała, w wyniku bezpośredniego urazu, np. otwartego złamania, albo z sąsiadujących tkanek (np. chorych na cukrzycę). U pacjentów obserwuje się takie objawy, jak silny ból kości, obrzęk, zaczerwienienie, gorączka, utykanie.
W skrajnych przypadkach osteomyelitis prowadzi do martwicy kości, co może wiązać się z koniecznością amputacji kończyny, a w przypadku młodszych pacjentów – z zaburzeniami wzrostu i przewlekłymi deformacjami.
W praktyce klinicznej w leczeniu tego schorzenia stosuje się długotrwałą antybiotykoterapię lub zabiegi chirurgiczne. Antybiotykoterapia wiąże się z wielotygodniowym podawaniem silnych leków, takich jak cyprofloksacyna czy wankomycyna. Terapia często jest trudna i bywa nieskuteczna, ponieważ drobnoustroje bytują w słabo ukrwionych częściach kości, gdzie lek może docierać w ograniczonych ilościach. Często bakterie rozwijają również biofilmy, które chronią je przed działaniem substancji zwalczających i odpowiedzią immunologiczną organizmu. Dodatkowo należy zwrócić uwagę, iż antybiotyki mogą powodować poważne skutki uboczne, takie jak uszkodzenie nerek, wątroby czy zaburzenia hematologiczne.
Nanokwiaty pozwolą na skuteczniejsze leczenie zakażeń kości
Możliwość podania leku bezpośrednio do miejsca zakażenia, z pominięciem zdrowych tkanek i ograniczeniem ogólnoustrojowej toksyczności, to jeden z kierunków nowoczesnej nanotechnologii. Dzięki takiemu podejściu zwiększa się skuteczność terapii i zmniejsza ryzyko działań niepożądanych.
Dr hab. Kamila Sadowska, prof. Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN, poszukuje nowych sposobów podawania antybiotyku – wprost do miejsca zakażenia, gdzie doszło do uszkodzenia kości. Wraz ze współpracownikami z Wydziału Chemii UW, Politechniki Gdańskiej i Uniwersytetu Medycznego w Lublinie, postanowiła wykorzystać w tym celu stworzone przez siebie nanostruktury, które mają bardzo nietypową formę – przypominają kwiaty.
– Nasze nanokwiaty są zbudowane z dwóch komponentów: organicznego, którym jest białko, w tym przypadku – albumina surowicy bydlęcej (BSA), i nieorganicznego – zwykle fosforanów metali – wyjaśniła ekspertka.
Dobór tych składników nie jest przypadkowy, ponieważ tkanka kostna również ma budowę hybrydową: składa się z części białkowej i mineralnej, co zwiększa powinowactwo nośnika do tkanki. Jak wskazała ekspertka, w badaniach wykorzystywana jest albumina surowicy bydlęcej, ale docelowo ma być to białko surowicy ludzkiej lub kolagen, które naturalnie występują w organizmach ssaków.
O adekwatnościach całej struktury decyduje jednak składnik nieorganiczny. Dr Sadowska wskazała, iż pierwsze nanokwiaty wykonywano z wykorzystaniem jonów miedzi, jednak ich zastosowanie w medycynie było bardzo ograniczone. Wynika to z tego, iż miedź w wyższych stężeniach jest toksyczna dla organizmu. Stąd rozpoczęto poszukiwania nowych rozwiązań. Badania skupiły się więc na wykorzystaniu fosforanu wapnia w postaci hydroksyapatytu, związku, który jest naturalnym składnikiem budulcowym kości. Jego wykorzystanie pozwoliło otrzymać nanostruktury przypominające budową tkankę kostną.
– Jednak dalej poszukujemy innych jonów metalu, które chętniej tworzą z białkami kompleksy nanokwiatów, co zwiększa wydajność reakcji, istotną dla rzeczywistych zastosowań. W najnowszej publikacji skupiliśmy się na fosforanie cynku, który spełnia te warunki – dodała dr Sadowska.
Skoncentrowane dostarczenie antybiotyku
W przeprowadzonych badaniach zauważono, iż nanokwiaty podane w miejscu zakażenia mogą wspierać regenerację kości. Analizy skupiły się jednak na połączeniu ich z cząsteczkami antybiotyku, co pozwalałoby jednocześnie aktywnie zwalczać bakterie odpowiedzialne za osteomyelitis. Kolejnym krokiem badań było wprowadzenie do materiału cyprofloksacyny.
Analizy laboratoryjne pokazały, iż cząsteczki leku skutecznie wbudowały się w strukturę nośnika. Testy biologiczne i badania na modelach zwierzęcych wykazały, iż nanokwiaty skutecznie hamują wzrost patogennych bakterii. Jednocześnie cechowała je niska toksyczność i dobra tolerancja komórkowa. Analizy te pokazują, iż system może stanowić bezpieczną platformę do miejscowego dostarczania leków.
– Kiedy antybiotyk podaje się ogólnoustrojowo, np. dożylnie lub doustnie, rozprowadza się on w całym organizmie, oddziałując również na zdrowe tkanki. W przypadku zapalenia kości i szpiku uzyskanie terapeutycznego stężenia leku w miejscu infekcji często wymaga wysokich dawek i długotrwałej terapii, co zwiększa ryzyko działań niepożądanych. Kość jest stosunkowo słabo ukrwiona w obszarze infekcji, co dodatkowo utrudnia leczenie. Opracowany przez nas system nanokwiatów umożliwia skoncentrowane dostarczenie antybiotyku bezpośrednio do miejsca zakażenia, potencjalnie zmniejszając konieczność stosowania wysokich dawek ogólnoustrojowych – podkreśliła dr Sadowska.
Ekspertka wskazała również, iż zakażenia kości mogą być bardzo rozległe – mogą obejmować choćby 1/3 objętości kości i wymagają chirurgicznego usunięcia zainfekowanego szpiku, co pozostawia ubytek w tkance. Wczesne podanie antybiotyku w miejsce zakażenia może zapobiec tym wyzwaniom, a wbudowana w nanokwiaty struktura organiczno-mineralna jednocześnie wspomaga regenerację tkanki kostnej i przyspiesza proces gojenia.
Źródło: rynekzdrowia.pl
