• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Samoleczące opatrunki

    23.07.2010. 05:28
    opublikowane przez: Jakub Juranek

    Przewaga w wojnie z patogennymi bakteriami, jaką zapewniły nam odkrycia i szerokie zastosowanie antybiotyków w drugiej połowie XX wieku, maleje coraz bardziej, w miarę jak kolejne szczepy śmiercionośnych mikrobów stają się odporne na stosowaną przeciwko nim broń. Zespół naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Bath w Wielkiej Brytanii wyszedł jednakże niedawno z propozycją czegoś, co można uznać za pomysł na zupełnie nowy oręż, w trwającym cały czas wyścigu zbrojeń z groźnymi zarazkami.

    Wzrastająca oporność bakterii na antybiotyki w połączeniu z niewielką ilością nowych związków chemicznych tego rodzaju, jakie odkrywa się i wdraża do użytku w ostatnich latach, powoduje konieczność poszukiwania nowych rozwiązań w walce z patogennymi drobnoustrojami.

    Jedną z istotnych cech bakterii, umożliwiających im skuteczną ochronę przed szkodliwymi warunkami środowiska, w którym funkcjonują, w tym także obronę przed stosowanymi przeciwko nim środkami przeciwbakteryjnymi, jest tworzenie złożonych trójwymiarowych, kolonii zanurzonych w matrycy zewnątrzkomórkowych polimerów. Kolonie te, zwane biofilmami, przez zwiększenie odporności drobnoustrojów na czynniki bakteriobójcze, stanowią bardzo poważny problem, zwłaszcza w kontekście zakażeń wewnątrzszpitalnych, w tym szczególnie w chorobach przewlekłych, przy których leczeniu stosuje się na przykład cewniki, dreny czy implanty.

    Kondycją, w której infekcje bakteryjne zbierają wyjątkowo wysokie śmiertelne żniwo, są oparzenia. Zakażenia są bezpośrednim powodem ponad połowy zgonów pacjentów z oparzeniami, z tym, że statystyka ta dochodzi do nawet 75% u pacjentów z poparzeniami 40% lub większej powierzchni ciała.

    Obecnie pewnym sposobem rozwiązania tego problemu jest używanie materiałów medycznych, na przykład bandaży, o antymikrobiotycznym okryciu, zawierających przykładowo kompleks srebra, którego jony mają silne właściwości antybakteryjne. Jednak podobnie jak inne współczesne sposoby walki z bakteriami, także i ten, podobny jest do ślepego i niszczycielskiego używania swoistej "broni masowego rażenia", która działa niezależnie od obecności lub braku "wroga", czyli szkodliwych bakterii, niszcząc zarazem także nieszkodliwe, oraz przede wszystkim, pożyteczne mikroby - będące częścią naszej mikroflory - czyli "sojuszników" nieraz pomagających nam w obronie przed zakażeniami. Dodatkowo strategia taka owocuje niespecyficznymi negatywnymi konsekwencjami dla procesu leczenia, o czym świadczą doniesienia, wskazujące na dłuższe gojenie się ran w obecności jonów srebra, oraz ich ogólną cytotoksyczność przy wyższych stężeniach, które są dopiero antybakteryjnie skuteczne.

    Poszukując klucza do rozwiązania tego problemu, Toby Jenkins i współpracownicy z Uniwersytetu Bath, rozpoczęli swą pracę od postawienia sobie pytania, nie o to, "co zabija bakterie?" " które jest najczęstszym punktem wyjścia w poszukiwaniu nowych sposobów walki z chorobotwórczymi drobnoustrojami " lecz "jakie właściwości sprawiają, że niektóre mikroby są patogenne, a inne nie?". Chociaż odpowiedź na to pytanie jest skomplikowana, proporcjonalnie do ogromnej ilości wiedzy zebranej dotychczas przez naukę w tym obszarze, badacze z Bath uprościli ją, opierając dalsze działania na podstawowej obserwacji, że zasadniczym czynnikiem szkodliwości bakterii są produkowane przez nie enzymy i/lub toksyny, które uszkadzają komórki i tkanki człowieka. Postanowili oni, wykorzystać ten fakt, jako fundament do stworzenia nowej broni przeciw bakteriom, w której obecność wytwarzanej przez nie szkodliwej substancji, byłaby jednocześnie czynnikiem w ich własnej zagładzie.


    Bakterie gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus) na wytworzonym przez siebie biofilmie. Autor: Janice Carr. Źródło: PHIL


    "Kto mieczem wojuje, od miecza ginie"

    Wypróbowując swój pomysł w praktyce, Jenkins i jego zespół zsyntetyzowali nanokapsułki w postaci tzw. olbrzymich jednowarstwowych liposomów (ang. Giant Unilamellar Vesicles; GUV), będących jednym z rodzajów sztucznych pęcherzyków fosfolipidowych - których otoczka ma budowę analogiczną do tej obecnej w błonach biologicznych - jednocześnie zawarli w nich azydek sodu, związek o właściwościach bakteriobójczych, lub barwnik fluorescencyjny. Następnie przystąpili do eksperymentów, w których skoncentrowali się na dwóch gatunkach bakterii, które są odpowiedzialne za największą liczbę wewnątrzszpitalnych zakażeń: gronkowcu złocistym (Staphylococcus aureus) i pałeczce ropy błękitnej (Pseudomonas aeruginosa), oraz, by wypróbować wybiórczość nowej metody, jednym z nieszkodliwych szczepów pałeczki okrężnicy (Escherichia coli). Jako, że obydwa szkodliwe gatunki bakterii wytwarzają toksyny uszkadzające błony lipidowe, umieszczenie ich w obecności nanokapsułek, prowadziło do rozerwania pęcherzyków i sekrecji ich zawartości na zewnątrz, co w przypadku, gdy był nią azydek sodu, miało śmiertelne konsekwencje dla bakteryjnej hodowli. Pęcherzyki nie miały większego wpływu na wzrost bakterii E. coli, jako, że użyty szczep nie wytwarza niszczących błony enzymów.

    W ten sposób udało się naukowcom przetestować w praktyce zastosowanie przeciwko patogennym bakteriom idei "Konia trojańskiego", przy którym ich własna aktywność biochemiczna prowadzi je do samozniszczenia. To nowatorskie podejście, charakteryzuje się wieloma nieobecnymi przy wcześniejszych strategiach walki z bakteriami zaletami. Jako, że substancja bakteriobójcza uwalniana jest wybiórczo tylko w obecności szkodliwych bakterii, nie będąc aktywną w przypadku ich braku, oszczędza naszych potencjalnych mikrobiologicznych "sojuszników", którzy są naturalną częścią ludzkiej mikroflory i pełnią niebagatelną, pozytywną rolę, w utrzymaniu naszego zdrowia. Wybiórczość ta, osłabia także, niebezpieczną presję selekcyjną na szczepy drobnoustrojów, zmniejszając zjawisko nabywania przez szkodliwe bakterie oporności. Ponadto nieuwalnianie potencjalnie cytotoksycznej dla pacjenta, substancji, w przypadku braku infekcji, pozwala nie spowalniać leczenia, gdy nie jest to absolutnie konieczne.

    Obecnie przedstawione prace naukowców, miały dopiero charakter testowania pomysłu i nie da się ich rezultatów przenieść od razu na stworzenie gotowego produktu, jakim docelowo mają być "samoleczące" opatrunki, używane na przykład na oddziałach leczenia oparzeń. Te w swej ostatecznej formie, prawdopodobnie wyposażone będą nie tylko w czynnik antybiotyczny, ale też, wypróbowany w powyższych eksperymentach, zintegrowany barwnik, który informować będzie pacjenta o wystąpieniu infekcji, w tej samej chwili, kiedy jej zwalczanie będzie już rozpoczęte. Zespół Jenkinsa oraz inni naukowcy pracują już nad rozwiązaniem szczegółowych trudności, jakie dzielą ich od realizacji zamierzonego celu, przybliżając się do stworzenia wyrafinowanego oręża, który bronić nas będzie przed śmiertelnie groźnym, choć mikroskopijnym wrogiem.

    Więcej informacji na ten temat, w tym krótkie filmy omawiające prace zespołu Toby’ego Jenkinsa (w języku angielskim), można znaleźć w serwisie Nanowerk: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=17157.php oraz na stronie magazynu New Scientist: http://www.newscientist.com/article/dn19158-nanoparticle-bandages-could-detect-and-treat-infection.html

    Źródła:
    Church, D., Elsayed, S., Reid, O., Winston, B. i Lindsay, R. (2006). Burn Wound Infections. Clinical Microbiology Reviews, 19, 403 " 434. PMCID: PMC1471990
    Zhou, J., Loftus, A. L., Mulley, G. i A. Toby A. Jenkins (2010). A Thin Film Detection/Response System for Pathogenic Bacteria. Journal of American Chemical Society, 132, 6566 "6570. DOI: 10.1021/ja101554a

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Bakterioryza – zjawisko symbiozy bakterii z roślinami wyższymi. Jednym z najbardziej znanych przykładów mających duże znaczenie gospodarcze jest związek między bakteriami azotowymi z rodzaju Rhisobium a roślinami motylkowymi (np. groch, fasola, łubin, koniczyna, bób). Bakterie te żyją w brodawkach wytwarzanych przez tkankę korzenia, stąd też określa się je mianem bakterii brodawkowych. Rośliny i bakterie czerpią z tego korzyści. Bakterie wiążą azot z powietrza i redukując go do jonów amonowych dostarczają jego związki roślinie. Roślina zaopatruje bakterie w węglowodany. Oporność na antybiotyki – cecha części szczepów bakteryjnych, która umożliwia im przeciwstawianie się wpływowi antybiotyku. W zależności od pochodzenia, dzieli się ją na pierwotną (naturalna struktura bakterii uniemożliwiająca działanie leku) lub nabytą – na skutek nabycia genów oporności od innych bakterii lub spontanicznych mutacji. Częsta oporność wśród bakterii wiąże się z nieracjonalną antybiotykoterapią oraz zbyt dużym zużyciem tych leków w przemyśle spożywczym. Barwienia bakterii – techniki stosowane w mikrobiologii, których celem jest umożliwienie obserwacji bakterii w mikroskopie świetlnym celem oceny ich wielkości, kształtu i niektórych cech morfologicznych. Barwienie jest konieczne ze względu na słaby stopień załamywania promieni świetlnych przez komórki bakterii.

    Ampicylina (ampicillin) – organiczny związek chemiczny, antybiotyk β-laktamowy z grupy aminopenicylin o szerokim spektrum działania, wrażliwy na bakteryjne β-laktamazy. W porównaniu do penicylin naturalnych jest mniej skuteczny w stosunku do bakterii gramdodatnich (2-5 krotnie), ale 10-krotnie bardziej w stosunku do gramujemnych (m.in. E. coli i Proteus sp.). Zaobserwowano znaczący wzrost oporności szczepów E. coli i S. aureus spowodowany nadmiernym stosowaniem ampicyliny. Jak wszystkie antybiotyki beta-laktamowe działa jedynie w stosunku do bakterii rosnących. Clostridum - rodzaj bakterii Gram-dodatnich, beztlenowych laseczek z typu Firmicutes, tworzących przetrwalniki. Rodzaj ten obejmuje ok. 60 gatunków drobnoustrojów, powszechnie występujących przede wszystkim w glebie oraz przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt, narządach rodnych kobiet, a także w wodzie i ściekach. Bakterie te cechują się możliwością wiązania azotu atmosferycznego oraz redukcji siarczanów (IV). Większość bakterii z tego rodzaju to saprofity, przeprowadzające procesy fermentacyjne oraz rozkładające celulozę i pektyny. Niektóre gatunki mają właściwości chorobotwórcze, uwarunkowane wytwarzaniem silnych egzotoksyn, inne są drobnoustrojami oportunistycznymi.

    Rhizobium - grupa bakterii współżyjących z roślinami motylkowymi. Powodują one powstanie brodawek na korzeniach tych roślin. Do komórek korzenia bakterie dostają się przez specjalną strukturę - nić infekcyjną. Po infekcji dzielą się intensywnie, pobudzając komórki gospodarza do szybkiego wzrostu, który prowadzi do powstania brodawek. Różowe zabarwienie brodawek świadczy o procesie wiązania azotu. Największa intensywność wiązania występuje przed kwitnieniem. Bakteria wiążąca N2 przetwarza go w NH3 lub aminokwas glutaminę i w tej postaci przekazuje komórkom roślinnym. Roślina dostarcza bakterii związki węgla i zapewnia warunki rozwoju. Część zasymilowanego przez bakterie azotu zasila glebę, i z tej przyczyny rośliny motylkowate są ważnym elementem w płodozmianie, uprawia się także jako zielony nawóz. Gronkowiec złocisty oporny na metycylinę, MRSA (ang. methicyllin-resistant Staphylococcus aureus) – oporne na metycylinę szczepy gronkowca, będące częstą przyczyną zakażeń wewnątrzszpitalnych. Stanowi on poważny problem finansowy dla służby zdrowia. Wykształcony przez drobnoustroje typ oporności oznacza brak wrażliwości na wszystkie antybiotyki z grupy beta-laktamów – w tym penicyliny, cefalosporyny, monobaktamy czy karbapenemy. Szczepy MRSA są jedynymi bakteriami Gram-dodatnimi, na które nie działają karbapenemy.

    Prevotella – rodzaj beztlenowych bakterii Gram-ujemnych. Do rodzaju należą polimorficzne pałeczki, których wzrost jest hamowany w obecności 20% żółci. Wchodzą w skład mikroflory jamy ustnej. Są wykrywane w kale człowieka BLNAR – (β-lactamase negative, ampicilin resistan) - nazwa opornych szczepów bakterii należących do gatunku Haemophilus influenzae. Nie można wykluczyć, że ten sam mechanizm jest obecny u niektórych bakterii Haemophilus parainfluenzae (wykryte u pacjentów przebywających w rejonach Południowej Afryki) oraz Haemophilus haemolyticus.

    Fimbria - włosowata struktura komórkowa. Niektóre bakterie posiadają ich setki. Występują u bakterii Gram-ujemnych, głównie z rodzaju Enterobacteriaceae (wyjątkowo u Gram-dodatnich - rodzaj Corynebacterium). Ich główną funkcją jest ułatwianie przylegania bakterii do innej komórki (np. w celu zainfekowania jej), czyli adhezji. Odmianą fimbrii pełniących ważną rolę w procesie zwanym koniugacją są fimbrie płciowe lub inaczej pile.

    Bacteroides – rodzaj bakterii, będących pałeczkami gram-ujemnymi, należącymi do bezwzględnych beztlenowców. Wchodzą one w skład fizjologicznej flory bakteryjnej przewodu pokarmowego człowieka i są najliczniejsze spośród wszystkich bakterii wchodzących w jej skład. Na jeden gram kału średnio można znaleźć 10 bakterii z rodzaju Bacteroides. Do czynników zjadliwości tych bakterii należy: otoczka, kolagenaza, neuramidaza, DNA-aza, proteaza, fibrynolizyna. Jednak w przeciwieństwie do Fusobacterium nie zawierają LPS.

    Fagi T-parzyste - grupa fagów zjadliwych, tzn. takich, które zabijają zarażoną przez siebie komórkę. Nie występuje u nich nigdy zjawisko lizogenii. W czasie zakażenia przejmują całkowitą kontrolę nad metabolizmem gospodarza. Genom fagów T-parzystych ma masę 100-130 MDa. Koduje 55-170 genów. Zawiera on zamiast cytozyny jej pochodną: 5-hydroksymetylocytozynę. Zabezpiecza to przed działaniem enzymów fagowych rozkładających DNA gospodarza. Dodatkowa glikozylacja niektórych jej cząsteczek chroni przed działaniem enzymów restrykcyjnych bakterii. Przykładem faga T-parzystego jest bakteriofag T-4 porażający komórki E. coli. Fag T-4 ma budowę bardzo złożoną. Składa się z ikosaedralnej główki, ogonka posiadającego rdzeń oraz kurczliwą otoczkę, podstawki oraz wyrastających z niej 6 włókienek. Po rozpoznaniu ściany komórkowej bakterii przez włókienka następuje skurcz otoczki ogonka, wskutek czego ogonek przebija ścianę komórkową. Proces ten oprócz mechanicznego ma również charakter enzymatyczny, ponieważ białka podstawki mają zdolność lizy polisacharydów ściany bakterii. Plazmid NR1 (R100 lub 222) - koniugacyjny plazmid należący do grupy niezgodności IncFII warunkujący oporność na antybiotyki. Odkryty został przez Rintaro Nakaya u bakterii Shigella flexneri 2b w Japonii w latach 50. Plazmid rozprzestrzenia się wśród drobnoustrojów drogą koniugacji; dostrzeżono ponadto rzadkie przypadki przekazywania jedynie części plazmidu. NR1 może występować u bakterii jelitowych takich jak Escherichia, Klebsiella czy Proteus. Wyróżnia się w nim dwa duże rejony, o odmiennej funkcji.

    Metabioza – w mikrobiologii oznacza następstwo gatunków. Jest to jedna z form współżycia pomiędzy drobnoustrojami. Jeden z nich produkuje metabolity, które hamują jej wzrost natomiast powodują rozwój innych bakterii. Przykładem środowiska w którym zachodzi metabioza może być mleko: w słodkim mleku żyją Streptococcus lactis, których metabolity zakwaszają środowisko co nie sprzyja dalszemu rozwojowi tej bakterii natomiast powoduje rozwój Lactobacillus, który żyje w mleku kwaśnym. Gramicydyna D (gramicydyna) − heterogeniczna mieszanina sześciu organicznych związków chemicznych pochodzenia naturalnego, tj. trzech par gramicydyn A, B i C w stosunku odpowiednio 80%, 6% i 14%. Każdą parę stanowią dwa związki, których cząsteczki różnią się strukturalnie tylko nieznacznie. Gramicydyna jest peptydowym antybiotykiem jonoforowym produkowanym w procesie biosyntezy bakterii Bacillus brevis. Jest stosowana wyłącznie miejscowo, ze względu na wysoką toksyczność. Gramicydyna jest jednym z nielicznych peptydów kodowanych nie przez kwasy nukleinowe, lecz przez kompleksy białek enzymatycznych. Gramicydyna jest jednym z niewielu znanych jonoforów transportujących jony nie jako nośnik, lecz przez kanał jonowy, a zarazem najdokładniej poznanym jonoforem tworzącym kanał.

    Ciałka wtrętowe (wtręty cytoplazmatyczne, ziarnistości) (inclusiones cytoplasmaticae) – skupiska różnych substancji występujących w cytoplazmie komórki. Mogą mieć charakter chorobotwórczy, przez odkładanie nierozpuszczalnych białek powodujących m.in. chorobę Alzheimera oraz schorzenia prionowe. Terminem tym określa się także substancje zapasowe bakterii w formie intruzji przede wszystkim takich substancji jak: kwas polibetahydroksymasłowy, polifosforany nieorganiczne czy też cząsteczki tłuszczów oraz polisacharydów. U bakterii siarkowych występują wtręty zawierające koloidalną zawiesinę siarki. Odwrotny cykl Krebsa, odwrotny cykl kwasu cytrynowego, odwrotny cykl TCA, reduktywny cykl kwasów karboksylowych – zespół reakcji biochemicznych podczas których CO2 włączany jest w związki organiczne przy udziale ferredoksyny i ATP. Cykl ten jest sposobem asymilacji dwutlenku węgla u części fotosyntetyzujących purpurowych bakterii siarkowych i bakterii zielonych.

    Zgorzel, gangrena – rozkład tkanek w żywym organizmie przez bakterie gnilne (beztlenowce). Przyczyną gangreny jest obecność ogniska martwicy, dostępnego dla bakterii. Odpowiednie warunki istniejące w ognisku martwicy, takie jak wilgotność i temperatura, sprzyjają rozwojowi beztlenowców. Zgorzel powstaje tylko w tych miejscach organizmu, które mają połączenie ze światem zewnętrznym (przez co stają się dostępne dla bakterii), dlatego występuje głównie:

    Dodano: 23.07.2010. 05:28  


    Najnowsze