Wie Ninja-Partikel funktionieren

Diese winzigen Angreifer, die von Forschern von IBM und dem Institute of Bioengineering and Nanotechnology in Singapur entwickelt und benannt wurden, könnten zwei Probleme lösen, die die moderne Medizin plagen: antibiotikaresistente Bakterien und Biofilme . An erster Stelle leidet die Hälfte der Krankenhauspatienten in den Vereinigten Staaten nach einigen Schätzungen an einer im Krankenhaus erworbenen Infektion mit arzneimittelresistenten Bakterien, und die Infektionen durch diese Bakterien werden immer schwieriger zu behandeln [Quelle: Liu ]. Superbugs, wie infektionsverursachende Methicillin-resistente Staphylococcus aureus und Escherichia coli, haben eine Resistenz gegen traditionelle Antibiotika entwickelt. Infolgedessen sind Wissenschaftler und Ärzte gezwungen, nach alternativen Behandlungsmöglichkeiten zu suchen, um diese Bakterien abzutöten. Zweitens stellen auch die Biofilme, die sich auf den Oberflächen von Medizinprodukten bilden, ein großes Problem dar. Da diese bakterienverseuchten Substanzen Katheter und andere medizinische Implantate beschichten, werden die Geräte zu einem Vehikel, um Bakterien in den Körper zu befördern.

Geben Sie das Ninja-Partikel ein. Im klassischen Ninja-Stil könnten diese winzigen Partikel (1.000 Mal kleiner als ein Sandkorn!) eines Tages in der Lage sein, in den Körper einzudringen, das angreifende Bakterium zu jagen und es auf eine Weise zu töten, die die Mikrobe so aussehen lässt, als wäre sie angegriffen worden mit einem Ninja-Stern. Wie sein Namensvetter ist dieses Teilchen gut in seinem Job. Es erfasst sein Ziel und schafft es, andere Zellen unversehrt zu lassen. Die Partikel sind gleichermaßen geschickt darin, Biofilme zu beseitigen, die sich auf Oberflächen bilden, wodurch diese zierlichen Ninjas Kräfte haben, mit denen man rechnen muss.

Lesen Sie weiter, um mehr darüber zu erfahren, wie sich diese Partikel ihren Weg ins Labor gebahnt haben und was sie für uns tun können.

1. Was es braucht, um ein Ninja-Partikel zu sein
2. Ninja-Partikel zielen und zerstören
3. Vorteile der Verwendung von Ninja-Partikeln zur Behandlung von Infektionen
4. Zielanwendungen von Ninja-Partikeln

Als die Forscherin Yi Yan Yang von der Arbeit des Chemikers Jim Hedrick bei IBM im Bereich Mikroelektronik hörte, sprach sie ihn sofort auf eine Zusammenarbeit an und sagte ihm, dass seine Forschungsfortschritte in der Medizin besser genutzt werden könnten. Seitdem hat ihre Partnerschaft zur Entwicklung einer sehr vielversprechenden Gruppe von Nanopartikeln geführt, die als „Ninja-Partikel“ bezeichnet werden.

Das menschliche Immunsystem inspirierte ihre Entwicklung. Wenn eine Person krank wird, scheidet ihr Körper antimikrobielle Peptide aus . Diese bakterienbekämpfenden Moleküle suchen nach einer Mikrobe, klammern sich an sie und töten sie (dieser letzte Teil kann auf verschiedene Arten geschehen). Hedrick und Yang machten sich daran, im Labor ein Teilchen herzustellen, das dasselbe tun würde.

Das von ihnen geschaffene Nanopartikel besteht aus einem speziellen Polymertyp. Polymere sind superlange, verkettete Moleküle. Kunststoffe zum Beispiel sind alle Polymere. Das Polymer-Nanopartikel, das Hedrick und Yang entwickelt haben, besteht aus drei Teilen, die es so geschickt machen, Bakterien abzutöten.

Mit diesen drei Teilen hat sich gezeigt, dass Ninja-Partikel Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA), E. coli und bestimmte Arten von Pilzen wirksam abtöten [Quelle: Yang ]. Darüber hinaus können die Nanopartikel zur Beschichtung medizinischer Geräte wie Katheter verwendet werden, die für das Wachstum von bakterienbesetzten Biofilmen berüchtigt sind. Die Beschichtung verhindert, dass sich Bakterien auf den Oberflächen bilden, wodurch das Infektionsrisiko bei Patienten mit diesen implantierten Geräten verringert wird.

Ninja-Partikel sind also speziell darauf ausgelegt, Bakterien anzugreifen und sie abzutöten, aber wie? Der erste Schritt besteht darin, die schädlichen Bakterienzellen in einem Meer von Säugetierzellen zu finden. Hier greift der Grundsatz „Gegensätze ziehen sich an“. Die Oberfläche von Bakterienzellen ist negativer geladen als die von Säugetierzellen. Um gezielt von den Bakterienzellen angezogen zu werden, müssen die Ninja-Partikel die entgegengesetzte Ladung haben – positiv. Sie sammeln diese positive Ladung auf ihrer Oberfläche durch einen Prozess, der als Selbstorganisation bezeichnet wird . Jedes Partikel besteht aus vielen, vielen kleineren Polymersträngen. Diese Polymere verklumpen oder bauen sich selbst zusammen, um kleine Kügelchen zu bilden, die Micellen genannt werden. Aufgrund attraktiver Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Teilen der Polymerkette bilden sich diese Mizellen auf natürliche Weise in Wasser, wobei die Außenseite der Kugel mit einer positiven Ladung beschichtet ist. Und voila – die positiv geladene Kugel wird auf natürliche Weise von der negativ geladenen Mikrobe angezogen.

Dort heftet sich das Ninja-Partikel an die Bakterienzelle. Die positiv geladenen Teile des Partikels, die dabei halfen, die Bakterienzellen selektiv zu finden, wirken auch als antibakterielle Mittel, indem sie Löcher in die Zellwand stechen. Dieser als Membranlyse bezeichnete Prozess ruiniert die Struktur der Zelle, was dazu führt, dass die Eingeweide der Zelle herauszusickern beginnen, ohne Hoffnung auf Erholung. Tatsächlich haben die Forscher hier den Namen "Ninja" für ihre Teilchen gefunden. Die Tötungsmethode, bei der die Zellwand mit Löchern perforiert wird, ähnelt dem, was passieren könnte, wenn die Zelle mit einem Ninja-Stern angegriffen würde.

Einer der besten Teile dieses Prozesses ist, dass Bakterien niemals die Chance haben, Resistenzen zu entwickeln. Antibiotika wirken, indem sie bestimmte Teile des Zellmechanismus selektiv lahmlegen und die meisten strukturellen Merkmale intakt halten. Die Ninja-Partikel-Methode hingegen ist physikalisch sehr zellschädigend, und die Bakterien haben keine Möglichkeit, potentiell eine Resistenz gegen die Ninja-Partikel zu entwickeln [Quelle: Nederberg et al ].

Die Lebensdauer der Ninja-Partikel kann so fein abgestimmt werden, dass sie die Bakterienzellen töten können, bevor sie selbst abgetötet werden. Schließlich beginnen Enzyme im Körper jedoch, die Partikel abzubauen, und sie zerfallen, wobei die resultierenden kleineren Teile vom Körper ausgeschieden werden [Quelle: Hedrick ].

Mit der Entwicklung hin zu einer post-antibiotischen Welt haben Wissenschaftler darauf gedrängt, alternative Behandlungen für Infektionen zu finden, die keine Antibiotika beinhalten. Fortschritte wurden bei Viren erzielt, die als Bakteriophagen bezeichnet werden und die innere Maschinerie der Bakterien entführen und sie wie einen Ballon zum Platzen bringen. Andere Arbeiten wurden mit von Bakterien hergestellten Toxinen ( Bacteriocinen ) durchgeführt, um infektionsverursachende Bakterien abzutöten. Die Fortschritte, die am engsten mit Ninja-Partikeln zusammenhängen, sind Therapien mit kationischen oder antimikrobiellen Peptiden. Diese Moleküle können aufgrund der entgegengesetzten Anziehungskraft von Ladungen auf ihren Oberflächen auch selektiv auf Bakterien abzielen. Ihre Methode zum Abtöten der Bakterienzellen wurzelt in der Störung der Kommunikation zwischen den Zellen [Quelle: Borel ]. Diese Therapie ist jedoch mit mehreren Problemen geplagt: Toxizität für gesunde, nicht bakterielle Zellen (zum Beispiel können Säugerzellen aufbrechen und ihren Inhalt freisetzen); kurze Halbwertszeit in vivo (sie halten nicht sehr lange im Körper) und hohe Herstellungskosten [Quelle: Nederberg et al ].

Ninja-Partikel lösen viele dieser Probleme. Sie sind mit Blut kompatibel und haben eine minimale bis keine Toxizität für rote Blutkörperchen; stabil genug sind, um in vivo wirksam zu bleiben; leicht biologisch abbaubar und um Größenordnungen billiger herzustellen. Ninja-Partikel sind nicht die einzigen Bakterien, die Partikel da draußen bekämpfen. Forscher auf der ganzen Welt haben ähnliche Fortschritte bei der Entwicklung anderer kleiner Moleküle mit antimikrobiellen Eigenschaften oder bei der Schaffung nanopartikelbasierter Ansätze zur Arzneimittelabgabe gemacht [Quellen: Zhu und Gao ]. Diese Partikel schließen sich einer wachsenden Gemeinschaft nanopartikelbasierter Therapien an. Nanopartikel werden in medizinischen Anwendungen wie der medizinischen Bildgebung (wie MRT) und bei der Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten wie Krebs und AIDS eingesetzt .

Ninja-Partikel haben das Potenzial, einen großen Einfluss auf unser Leben zu haben. Ihre nachgewiesene Fähigkeit, antibiotikaresistente Bakterien aufzuspüren und abzutöten, bedeutet, dass wir sie eines Tages in Form eines injizierbaren Medikaments sehen werden. Forscher sammeln weiterhin Daten über die Wirksamkeit und Toxizität (oder eigentlich das Fehlen von Toxizität) dieser Partikel. Sobald sie ihre Tests abgeschlossen haben, können Pharmaunternehmen eingreifen, um Versuche am Menschen durchzuführen, die überwachen, wie diese Partikel bakterielle Infektionen im Körper bekämpfen.

Außerhalb des Körpers sehen wir möglicherweise Ninja-Partikel, die als Desinfektionsmittel verwendet werden und die Bildung von Biofilmen stoppen. Die Bakterien, aus denen Biofilme bestehen, können sich sehr gut selbst schützen. Viele Sprays auf dem Markt haben Schwierigkeiten, die Schutzschichten eines Biofilms zu durchbrechen, um Oberflächen zu desinfizieren. Ninja-Partikel hingegen sind in der Lage, Bakterien in diesen Biofilmen bei Kontakt auszurotten und bieten eine hervorragende Möglichkeit, medizinische Geräte oder sogar Oberflächen für die Lebensmittelzubereitung zu reinigen.

Diese Nanopartikel können auch in unsere Körperpflegeprodukte gelangen, im Wesentlichen überall dort, wo wir keine Bakterienansammlung wollen. Sie können verwendet werden, um Kontaktlinsen zu beschichten oder als Zusatzstoffe in Dinge wie Mundwasser, Deodorants und Waschmittel gegeben werden. Sie können sogar in Wasserreinigungssystemen verwendet werden. Böse Bakterien sind überall, und diese Ninja-Partikel sind bereit, sie zu finden und zu zerstören.

Anmerkung des Autors: Wie Ninja-Partikel funktionieren

Am schönsten ist es, wenn etwas mit einem coolen Namen seinem Namen auch wirklich alle Ehre macht. Und Ninja-Partikel sind ungefähr so ​​großartig, wie ihr Name vermuten lässt. Als ich diesen Artikel schrieb, liebte ich es, mir vorzustellen, wie diese Partikel heimlich durch den Körper schwirren, die bösen Bakterien finden und sie aufschlitzen. Diese Forschung ist so vielversprechend; Ich kann es kaum erwarten, diese Partikel auf dem Markt zu finden. Der einzige Teil, der mich traurig macht, ist, dass ich, wenn sie es eines Tages in unsere Körperpflegeprodukte oder in unsere Medikamente schaffen, nicht in der Lage sein werde, durch die Inhaltsstoffe zu scrollen und „Ninja-Partikel“ aufgelistet zu sehen. Leider denke ich, dass die FDA und andere Regulierungsorganisationen möglicherweise ihre tatsächlichen chemischen Namen verlangen. Schade.

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