Naukowcy opracowują system mikrorobotyczny zdolny do szybkiej, ukierunkowanej eliminacji patogenów grzybowych

Infekcje wywoływane przez grzyby, takie jak Candida albicans, stanowią znaczące globalne zagrożenie dla zdrowia ze względu na ich oporność na istniejące metody leczenia, do tego stopnia, że Światowa Organizacja Zdrowia uznała je za kwestię priorytetową. Chociaż nanomateriały są obiecujące jako środki przeciwgrzybicze, obecnym iteracjom brakuje siły działania i specyficzności potrzebnej do szybkiego i ukierunkowanego leczenia, co prowadzi do wydłużenia czasu leczenia i potencjalnych skutków ubocznych oraz oporności na leki. Teraz, w przełomowym rozwoju o daleko idących implikacjach dla globalnego zdrowia, zespół naukowców kierowany wspólnie przez Hyun (Michel) Koo z University of Pennsylvania School of Dental Medicine i Edwarda Steagera z Penn's School of Engineering and Applied Science stworzył mikrorobotyczny system zdolny do szybkiej, ukierunkowanej eliminacji patogenów grzybiczych. "Kandydoza tworzy uporczywe infekcje biofilmowe, które są szczególnie trudne do leczenia" - mówi Koo. "Obecnym terapiom przeciwgrzybiczym brakuje siły i specyficzności wymaganej do szybkiego i skutecznego wyeliminowania tych patogenów, więc ta współpraca opiera się na naszej wiedzy klinicznej i łączy zespół Eda z ich specjalistyczną wiedzą w zakresie robotyki, aby zaoferować nowe podejście". Zespół naukowców jest częścią Penn Dental's Center for Innovation & Precision Dentistry, inicjatywy, która wykorzystuje inżynierię i podejścia obliczeniowe w celu odkrycia nowej wiedzy na temat łagodzenia chorób i rozwoju innowacji w zakresie opieki zdrowotnej jamy ustnej i czaszkowo-twarzowej. W artykule opublikowanym w Advanced Materials naukowcy wykorzystali najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanocząstek katalitycznych, znanych jako nanozymy, i zbudowali miniaturowe systemy robotyczne, które mogą precyzyjnie celować i szybko niszczyć komórki grzybów. Osiągnęli to poprzez wykorzystanie pól elektromagnetycznych do kontrolowania kształtu i ruchów tych mikrorobotów z nanozymami z wielką precyzją. "Metody, których używamy do kontrolowania nanocząstek w tym badaniu, są magnetyczne, co pozwala nam skierować je dokładnie w miejsce infekcji" - mówi Steager. "Używamy nanocząstek tlenku żelaza, które mają jeszcze jedną ważną właściwość, a mianowicie są katalityczne". Zespół Steagera opracował ruch, prędkość i formacje nanozymów, co zaowocowało zwiększoną aktywnością katalityczną, podobnie jak w przypadku enzymu peroksydazy, który pomaga rozkładać nadtlenek wodoru na wodę i tlen. Pozwala to bezpośrednio na generowanie dużych ilości reaktywnych form tlenu (ROS), związków o udowodnionych właściwościach niszczących biofilm, w miejscu infekcji. Jednak prawdziwie pionierskim elementem tych zespołów nanozymów było nieoczekiwane odkrycie: ich silne powinowactwo wiązania do komórek grzybów. Cecha ta umożliwia zlokalizowaną akumulację nanozymów dokładnie tam, gdzie znajdują się grzyby, a w konsekwencji ukierunkowane generowanie ROS. "Nasze zespoły nanozymów wykazują niesamowite przyciąganie do komórek grzybów, szczególnie w porównaniu z komórkami ludzkimi" - mówi Steager. "Ta specyficzna interakcja wiązania toruje drogę do silnego i skoncentrowanego działania przeciwgrzybiczego bez wpływu na inne niezainfekowane obszary". W połączeniu z nieodłączną manewrowością nanozymu, daje to silny efekt przeciwgrzybiczy, wykazując szybką eradykację komórek grzybów w niespotykanym dotąd 10-minutowym oknie. Patrząc w przyszłość, zespół dostrzega potencjał tego unikalnego podejścia do robotyki opartego na nanozymach, ponieważ wprowadza nowe metody automatyzacji kontroli i dostarczania nanozymów. Obietnica, jaką niesie ze sobą terapia przeciwgrzybicza, to dopiero początek. Jego precyzyjne ukierunkowanie i szybkie działanie sugerują potencjał w leczeniu innych rodzajów uporczywych infekcji. "Odkryliśmy potężne narzędzie w walce z patogennymi infekcjami grzybiczymi" - mówi Koo. "To, co tutaj osiągnęliśmy, jest znaczącym krokiem naprzód, ale to dopiero pierwszy krok. Właściwości magnetyczne i katalityczne w połączeniu z nieoczekiwaną specyficznością wiązania z grzybami otwierają ekscytujące możliwości zautomatyzowanego mechanizmu przeciwgrzybiczego "cel-bind-and-kill". Chętnie zagłębimy się głębiej i uwolnimy jego pełny potencjał". To zrobotyzowane podejście otwiera nową granicę w walce z infekcjami grzybiczymi i wyznacza kluczowy punkt w terapii przeciwgrzybiczej. Dzięki nowemu narzędziu w swoim arsenale, lekarze i stomatolodzy są bliżej niż kiedykolwiek skutecznego zwalczania tych trudnych patogenów.

Pomyślnie zakończono pierwsze badanie kliniczne urządzenia do dializy wątroby na ludziach

Pierwsze udane badanie dializy wątroby u pacjentów zostało zakończone przez naukowców z UCL, Royal Free Hospital, UCL spin-out Yaqrit i ich współpracowników. Urządzenie DIALIVE, wynalezione przez naukowców z UCL's Institute for Liver and Digestive Health, okazało się bezpieczne i wiązało się ze znaczną poprawą nasilenia objawów i funkcji narządów u większego odsetka pacjentów z ostrą lub przewlekłą niewydolnością wątroby (ACLF), w porównaniu z pacjentami otrzymującymi standardową opiekę. Następnym krokiem będzie większe badanie kliniczne, które, jeśli zakończy się sukcesem, może doprowadzić do zatwierdzenia DIALIVE do użytku klinicznego w ciągu najbliższych trzech lat. Szacuje się, że na całym świecie około 100 milionów ludzi żyje z marskością wątroby, a 10 milionów ma marskość wątroby z dodatkowymi powikłaniami. Około trzech milionów z tych osób cierpi na ACLF, stan, który może powodować nagłe pogorszenie czynności wątroby, narażając osoby na wysokie ryzyko krótkoterminowej śmierci. W Wielkiej Brytanii każdego roku hospitalizowanych jest około 15 000 pacjentów z ACLF, których leczenie kosztuje NHS około 100 000 funtów na pacjenta, bez poprawy ryzyka ich śmiertelności. Wątroba jest złożonym narządem, który pełni ponad 500 funkcji, w tym usuwanie szkodliwych substancji z krwi i wchłanianie składników odżywczych. Jedną z jej ról jest wytwarzanie dużych ilości białka zwanego albuminą, które przemieszcza się po organizmie, działając jako rodzaj "mobilnej wątroby", która pochłania niepożądane substancje. Jednak gdy czynność wątroby jest poważnie ograniczona, na przykład w wyniku nadużywania alkoholu, otyłości lub infekcji wirusowej, wytwarzana jest mniejsza ilość albuminy. W ACLF jej funkcja jest również poważnie upośledzona; komórki wątroby umierają, a jelita zaczynają wyciekać bakterie do krwiobiegu, co może powodować niewłaściwą odpowiedź immunologiczną i niewydolność wielonarządową. DIALIVE został zaprojektowany w celu wyeliminowania tych mechanizmów, które powodują śmiertelność pacjentów z ACLF. Badanie to jest pierwszym na świecie randomizowanym, kontrolowanym badaniem klinicznym urządzenia do dializy wątroby. Zostało ono przeprowadzone w celu oceny bezpieczeństwa DIALIVE w leczeniu pacjentów z ACLF i obserwacji jego efektów klinicznych. Łącznie 32 pacjentów leczono urządzeniem DIALIVE lub standardową opieką przez okres do pięciu dni, a wyniki rejestrowano w dniach 10 i 28. Wyniki wykazały, że leczenie DIALIVE wiązało się ze znacznie szybszym odwróceniem ACLF w porównaniu ze standardową opieką, przy czym ACLF ustąpiło u około dwukrotnie większej liczby pacjentów. Ta poprawa kliniczna była związana ze znaczącym wpływem na mechanizmy leżące u podstaw rozwoju ACLF. Leczenie DIALIVE doprowadziło do znacznego zmniejszenia endotoksyn, które są uwalniane, gdy bakterie umierają, i poprawiło funkcję albuminy. Biomarkery ogólnoustrojowego stanu zapalnego, takie jak cytokiny, funkcja śródbłonka i markery śmierci komórek, uległy poprawie. Pomimo zaledwie trzydniowego leczenia, pacjenci, u których ACLF ustąpiło, pozostawali w remisji przez 28 dni. Następnym krokiem będzie przeprowadzenie większego badania z udziałem większej liczby pacjentów w celu potwierdzenia bezpieczeństwa i skuteczności DIALIVE. Jednym z dodatkowych wskaźników do oceny będzie wpływ DIALIVE na śmiertelność pacjentów w porównaniu z innymi dostępnymi metodami leczenia. Profesor Rajiv Jalan (UCL Institute for Liver and Digestive Health, część UCL Division of Medicine), wynalazca DIALIVE i współzałożyciel Yaqrit, powiedział: "Jako naukowcom może być trudno zdefiniować chorobę, a następnie przełożyć tę wiedzę na rozwiązanie kliniczne, które naprawdę zmienia życie ludzi. Tak więc wyniki badania DIALIVE to emocjonalny moment, który nie byłby możliwy bez współpracy naukowej między Wielką Brytanią a europejskimi kolegami i finansowania z Komisji Europejskiej. Mam nadzieję, że w ciągu kilku lat zaczniemy zaspokajać pilną, niezaspokojoną potrzebę leczenia ostrej i przewlekłej niewydolności wątroby oraz poprawimy wyniki leczenia pacjentów". Carrie Morgan, starszy wiceprezes ds. operacji klinicznych w Yaqrit, powiedziała: "Jesteśmy na ekscytującym etapie rozwoju DIALIVE, a wyniki tego badania są niezwykle zachęcające. Niezmiennie koncentrujemy się na tym, by w centrum naszych wysiłków znajdowała się jednostka, pracując niestrudzenie na rzecz lepszej przyszłości dla wszystkich osób dotkniętych przewlekłą chorobą wątroby". Badanie jest najnowszym krokiem w długiej podróży naukowców z UCL i Royal Free Hospital, która rozpoczęła się od zidentyfikowania ostrej i przewlekłej niewydolności wątroby jako odrębnej jednostki klinicznej w 2001 roku. Prace te doprowadziły do powstania DIALIVE, który został wynaleziony przez profesorów Rajiva Jalana i Nathana Daviesa z Liver Failure Group w UCL's Institute for Liver and Digestive Health, części UCL Division of Medicine. Własność intelektualna stojąca za tą technologią została opatentowana przez UCL w 2009 roku i licencjonowana firmie typu spin-out, Yaqrit. Testy przedkliniczne były wspierane przez granty NIHR i MRC, a niniejsze badanie było możliwe dzięki grantowi UE Horyzont 2020.