Klasyczne antybiotyki to precyzyjnie zaprojektowane cząsteczki chemiczne, które uderzają w jeden, ściśle określony cel w komórce bakteryjnej – najczęściej w ścianę komórkową, rybosomy albo enzymy odpowiedzialne za replikację DNA. Takie ukierunkowane działanie ma jednak swoją cenę: wystarczy pojedyncza mutacja, by bakteria przestała reagować na lek. W efekcie coraz częściej pojawiają się szczepy oporne wobec wcześniej skutecznych antybiotyków.
Terapia fagowa, czyli wirusem w bakterię
Alternatywą jest terapia fagowa – metoda leczenia zakażeń bakteryjnych z wykorzystaniem bakteriofagów, czyli wirusów atakujących i niszczących bakterie. Fagi występują powszechnie w środowisku. Można je znaleźć w glebie, wodzie, ściekach, a nawet w ludzkim układzie pokarmowym – wszędzie tam, gdzie obecne są bakterie.
Fagi są wyspecjalizowane w niszczeniu jednego lub kilku różnych szczepów bakterii. Mogą niszczyć bakterie, które nabyły odporność na antybiotyki. Co ważne, bakteriofagi mają mały wpływ na organizm ludzki. Dodatkowo terapia fagowa wykazuje działanie przeciwzapalne.
Jak każda metoda biologiczna, również ta ma jednak swoje ograniczenia. Bakterie mogą rozwijać oporność na fagi, a układ odpornościowy pacjenta czasem neutralizuje ich działanie. Skuteczna terapia wymaga więc precyzyjnego doboru odpowiednich fagów do konkretnego zakażenia.
Historia odkrycia bakteriofagów sięga początków XX wieku. Zostały opisane niezależnie przez Fredericka Tworta i Felixa d’Herelle’a (ten drugi jako pierwszy zastosował je przeciw czerwonce u ludzi).
Zabójcze trio: wirusy, srebro i herbata
Badania nad połączeniem bakteriofagów i nanocząstek srebra prowadzone są w zespole dr. hab. Jana Paczesnego, prof. Instytutu Chemii Fizycznej PAN od kilku lat. W najnowszym badaniu naukowcy postanowili połączyć trzy zupełnie różne światy – wirusów, metali i roślin – w jeden, skuteczny system przeciwdrobnoustrojowy. Do badań tych dołączył zespół prof. dr hab. Marii Doligalskiej z Wydziału Biologii UW*, co umożliwiło ocenę wrażliwości organizmów eukariotycznych na te związki.
W eksperymentach zestawili ze sobą bakteriofagi, czyli naturalnych wrogów bakterii, nanocząstki srebra o znanych właściwościach przeciw drobnoustrojom oraz ekstrakt z zielonej herbaty, bogaty w polifenole i katechiny – te drugie w badaniach laboratoryjnych wykazują działanie przeciwwirusowe i przeciwbakteryjne.
– W naszym systemie współpracują trzy czynniki. Fagi są wysoce selektywne. Rozpoznają i niszczą konkretne szczepy bakterii, pozostawiając inne mikroorganizmy nietknięte. Nanocząstki srebra działają w sposób niespecyficzny, głównie poprzez uwalnianie jonów srebra, które zaburzają funkcjonowanie metabolizmu komórek bakteryjnych. Dodatkowo w układzie obecny jest ekstrakt z zielonej herbaty, który również ma potwierdzone właściwości przeciwdrobnoustrojowe – tłumaczy prof. Jan Paczesny.
Jak podkreślają badacze, kluczem jest synergia. Precyzyjne, biologiczne działanie fagów uzupełnia się z szerokim, niespecyficznym efektem jonów srebra, których w takich koktajlach potrzeba zaledwie w niewielkich ilościach.
Naturalne związki z zielonej herbaty stabilizują nanocząstki i dodatkowo wzmacniają ich aktywność biologiczną. Współpraca ta jest możliwa również dlatego, że nanocząstki nie wykazują działania przeciwwirusowego wobec bakteriofagów – zachowanie aktywności fagów w obecności nanocząstek warunkuje skuteczność całego koktajlu.
Obecność bakteriofagów jest zarazem neutralna dla stabilności zawiesiny nanocząstek. W efekcie uzyskiwana jest skuteczność, której nie da się osiągnąć, stosując każdy z tych elementów osobno. Co ważne, w takim układzie ryzyko rozwoju oporności jest znacznie mniejsze – podkreślają naukowcy.
Synergia zamiast konkurencji
Aby sprawdzić skuteczność opracowanego układu, naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów z wykorzystaniem szczepów Staphylococcus aureus – gronkowca złocistego, bakterii powszechnie występujących na skórze i błonach śluzowych człowieka. W normalnych warunkach bywa on nieszkodliwy, lecz w sprzyjających okolicznościach (np. rozcięcie skóry lub oparzenie, osłabiona odporność, długotrwała antybiotykoterapia) może wywoływać groźne zakażenia skóry, płuc, a nawet zagrażający życiu wstrząs toksyczny czy sepsę. Badany szczep (tzw. MRSA) był oporny na metycylinę – antybiotyk często stosowany w terapii zakażeń gronkowcowych, wobec którego wiele bakterii rozwinęło już odporność.
Już po trzech godzinach od zastosowania koktajlu przeżywalność S. aureus spadała do około 30%, podczas gdy dla samych nanocząstek i samych fagów wynosiła odpowiednio około 80% i 70%. Wyniki te potwierdziły wyraźny efekt synergiczny między nanocząstkami srebra i fagami.
W eksperymentach wykorzystano także Salmonella enterica – gatunek bakterii odpowiedzialny za zatrucia pokarmowe i infekcje jelitowe u ludzi i zwierząt. Komórki bakterii eksponowano na działanie samych fagów, samych nanocząstek oraz ich połączenia, obserwując tempo namnażania i przeżywalność.
Podobnie jak w przypadku gronkowca, również i tu połączenie fagów i nanocząstek znacząco ograniczało liczbę żywych komórek, potwierdzając skuteczność preparatu wobec różnych gatunków chorobotwórczych bakterii.
– Nasze podejście łączy kilka naturalnych mechanizmów działania. Fagi wykorzystują ewolucyjnie dopracowaną zdolność do selektywnego rozpoznawania i zabijania bakterii, srebro w formie nanocząstek oddziałuje nieselektywnie na wiele elementów bakterii, a ekstrakty roślinne wprowadzają związki, które zakłócają równowagę metaboliczną. W ten sposób tworzymy system, który nie opiera się na jednym punkcie ataku, lecz na całej sieci oddziaływań, przez co jest trudniejszy do obejścia przez ewolucję mikroorganizmów. To właśnie ten sposób myślenia, łączenie biologii, chemii i ekologii w jednym spójnym podejściu, stanowi nowy paradygmat w poszukiwaniu bezpiecznych i skutecznych środków przeciwdrobnoustrojowych – komentuje prof. Doligalska.
Herbata, czyli element systemu
Zielona herbata w tym badaniu nie jest przypadkowym dodatkiem, lecz jednym z kluczowych elementów całego systemu. Jej ekstrakt redukuje jony srebra do postaci metalicznej, a następnie stabilizuje powstałe nanocząstki, tworząc na ich powierzchni cienką powłokę organiczną. Dzięki temu preparat zachowuje trwałość, nie traci aktywności i nie zlepia się.
Powłoka nie jest bierna – zawiera biologicznie czynne związki, które same w sobie wykazują właściwości przeciwbakteryjne, a w połączeniu z jonami srebra wzmacniają efekt terapeutyczny.
Innymi słowy, herbata nie tylko umożliwia powstanie nanocząstek, ale też nadaje im „drugie życie”, sprawiając, że stają się bardziej aktywne biologicznie i stabilne w środowisku wodnym. To właśnie dlatego nanocząstki syntetyzowane z wykorzystaniem ekstraktów roślinnych często działają skuteczniej niż ich syntetyczne odpowiedniki.
– Składniki zielonej herbaty odpowiadają za tzw. zieloną syntezę, czyli proces, w którym roślinne związki organiczne zastępują klasyczne, często toksyczne odczynniki chemiczne. W efekcie otrzymujemy materiał o podwójnej aktywności: fizykochemicznej, wynikającej z obecności srebra, oraz biologicznej, pochodzącej z naturalnych składników roślinnych. To przykład, jak chemia może czerpać z natury w sposób bezpieczny i efektywny – wyjaśnia prof. Jan Paczesny.
Takie podejście wpisuje się w nurt green nanotechnology – nowej dziedziny, która łączy skuteczność nanomateriałów z zasadami ekologii, rezygnując z toksycznych reagentów na rzecz naturalnych ekstraktów roślinnych.
Bezpieczne dla ludzi i środowiska. Nowa filozofia badań
Naukowcy potwierdzili, że opracowany preparat jest bezpieczny dla komórek ssaczych, a w efektywnych stężeniach nie wykazuje toksyczności również wobec wolno żyjących form pierwotniaków Acanthamoeba castellanii – mikroskopijnych ameb, które w określonych warunkach mogą zarażać ludzi. Co ciekawe, w wyższych dawkach nanocząstki pokryte ekstraktem z herbaty wykazują działanie przeciwamebowe, co może otworzyć drogę do opracowania nowych, miejscowych metod dezynfekcji i terapii przeciwpasożytniczych.
Jeden z kluczowych aspektów badań to bezpieczeństwo stosowania. Nanocząstki srebra w nadmiernych ilościach mogą być toksyczne, istotne jest więc odpowiednie dobranie ich rozmiaru, powłoki i dawki. Właśnie dlatego powierzchnię cząstek pokryto naturalną warstwą pochodzącą z ekstraktu zielonej herbaty. Taka osłona moderuje uwalnianie jonów srebra i zmniejsza potencjalną cytotoksyczność.
– W efektywnych stężeniach, które są wystarczające do zwalczania bakterii, nie obserwujemy negatywnego wpływu na komórki ssacze ani na wolno żyjące protisty. Na tym etapie nasze rozwiązanie nie jest jednak jeszcze gotowe do wdrożenia. Obecnie analizujemy możliwość przygotowania nanocząstek stabilizowanych konkretnymi, wyselekcjonowanymi składnikami ekstraktów, tak, żeby zmaksymalizować ich efektywność – wyjaśnia prof. Maria Doligalska.
Zespół traktuje „zieloną syntezę” nie tylko jako metodę laboratoryjną, lecz także jako sposób myślenia o przyszłości nauki.
– Tradycyjne antybiotyki to precyzyjnie zaprojektowane cząsteczki chemiczne, które atakują jeden, wybrany cel w komórce bakteryjnej. Nasze podejście jest inne – łączy kilka naturalnych mechanizmów działania. W pewnym sensie odwracamy logikę klasycznej chemii leków: zamiast tworzyć coś całkowicie nowego, korzystamy z rozwiązań, które natura już przetestowała – tłumaczą badacze.
Od laboratorium do praktyki
Celem badań nie jest stworzenie kolejnego „superleku”, lecz opracowanie bezpiecznych, miejscowych preparatów – do stosowania tam, gdzie potrzebne są wysokie stężenia substancji aktywnej, ale niska toksyczność: w medycynie, kosmetologii i ochronie środowiska.
Najbardziej obiecujące zastosowania to opatrunki przeciwdrobnoustrojowe, spraye dezynfekujące oraz płyny do pielęgnacji soczewek kontaktowych – tam, gdzie liczy się skuteczność lokalna i bezpieczeństwo biologiczne. Preparat może znaleźć zastosowanie także w systemach uzdatniania wody.
Naukowcy podkreślają, że największym wyzwaniem nie jest już sama technologia, lecz formalne procedury dopuszczenia do użytku preparatów łączących bakteriofagi i nanocząstki. Ich praca ma charakter podstawowy, ale może stać się punktem wyjścia do nowych rozwiązań, które łączą biologię, chemię i medycynę w duchu „zielonej” biotechnologii.
Jeśli przyszłość medycyny ma być naprawdę ekologiczna, być może jej symbolem okaże się właśnie zielona herbata – tym razem nie w filiżance, lecz w probówce, uzupełnia Mateusz Wdowiak, pierwszy autor pracy.
—————————————————————
* Badania prowadzone były przez prof. Jana Paczesnego i dr Sadę Razę z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, prof. Marię Doligalską i dr Julitę Nowakowską z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, przy współpracy z naukowcami z Southern University of Science and Technology w Shenzhen (Chiny).
