Nanorobotic-systeem biedt nieuwe opties voor het aanpakken van schimmelinfecties

Infecties veroorzaakt door schimmels, zoals Candida albicans, vormen een aanzienlijk wereldwijd gezondheidsrisico vanwege hun weerstand tegen bestaande behandelingen, zozeer zelfs dat de Wereldgezondheidsorganisatie dit als een prioritaire kwestie.

Hoewel nanomaterialen veelbelovend zijn als antischimmelmiddelen, missen de huidige iteraties de potentie en specificiteit die nodig zijn voor een snelle en gerichte behandeling, wat leidt tot langere behandeltijden en mogelijke off-target effecten en resistentie tegen geneesmiddelen.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van Hyun (Michel) Koo van de University of Pennsylvania School of Dental Medicine en Edward Steager van Penn’s School of Engineering and Applied Science, in een baanbrekende ontwikkeling met verstrekkende gevolgen voor de wereldwijde gezondheid, een microrobotisch systeem dat in staat is tot snelle, gerichte eliminatie van schimmelpathogenen.

“Candidae vormen hardnekkige biofilminfecties die bijzonder moeilijk te behandelen zijn”, zegt Koo. “De huidige antischimmeltherapieën missen de potentie en specificiteit die nodig zijn om deze ziekteverwekkers snel en effectief te elimineren, dus deze samenwerking put uit onze klinische kennis en combineert het team van Ed en hun robotexpertise om een ​​nieuwe aanpak te bieden.”

Het team van onderzoekers maakt deel uit van Penn Dental’s Center for Innovation & Precision Dentistry, een initiatief dat gebruik maakt van technische en computationele benaderingen om nieuwe kennis te ontdekken voor ziektebeperking en om innovatie in de orale en craniofaciale gezondheidszorg te bevorderen.

Voor dit artikel, gepubliceerd in Geavanceerde materialen, profiteerden de onderzoekers van recente vorderingen in katalytische nanodeeltjes, bekend als nanozymen, en bouwden ze miniatuurrobotsystemen die schimmelcellen nauwkeurig konden richten en snel vernietigen. Ze bereikten dit door elektromagnetische velden te gebruiken om de vorm en bewegingen van deze nanozyme-microrobots met grote precisie te besturen.

“De methoden die we gebruiken om de nanodeeltjes in deze studie te beheersen, zijn magnetisch, waardoor we ze naar de exacte infectielocatie kunnen leiden”, zegt Steager. “We gebruiken nanodeeltjes van ijzeroxide, die nog een belangrijke eigenschap hebben, namelijk dat ze katalytisch zijn.”

Het team van Steager ontwikkelde de beweging, snelheid en formaties van nanozymen, wat resulteerde in verbeterde katalytische activiteit, vergelijkbaar met het enzym peroxidase, dat helpt bij het afbreken van waterstofperoxide in water en zuurstof. Hierdoor kunnen direct grote hoeveelheden reactieve zuurstofspecies (ROS), verbindingen met bewezen biofilmvernietigende eigenschappen, worden gegenereerd op de plaats van infectie.

Het echt baanbrekende element van deze nanozyme-assemblages was echter een onverwachte ontdekking: hun sterke bindingsaffiniteit met schimmelcellen. Deze functie maakt een gelokaliseerde accumulatie van nanozymen mogelijk, precies daar waar de schimmels zich bevinden en bijgevolg gerichte ROS-generatie. “Onze nanozyme-assemblages vertonen een ongelooflijke aantrekkingskracht op schimmelcellen, vooral in vergelijking met menselijke cellen”, zegt Steager. “Deze specifieke bindingsinteractie maakt de weg vrij voor een krachtig en geconcentreerd antischimmeleffect zonder andere niet-geïnfecteerde gebieden aan te tasten.”

In combinatie met de inherente manoeuvreerbaarheid van het nanozyme resulteert dit in een krachtig antischimmeleffect, wat de snelle uitroeiing van schimmelcellen binnen een ongekend tijdsbestek van 10 minuten aantoont.

Vooruitkijkend ziet het team het potentieel van deze unieke, op nanozymen gebaseerde robotbenadering, aangezien ze nieuwe methoden integreren om de controle en levering van nanozymen te automatiseren. De belofte die het inhoudt voor antischimmeltherapie is nog maar het begin. De precieze doelgerichtheid en snelle actie suggereren potentieel voor de behandeling van andere soorten hardnekkige infecties.

“We hebben een krachtig hulpmiddel ontdekt in de strijd tegen pathogene schimmelinfecties”, zegt Koo. “Wat we hier hebben bereikt, is een grote stap voorwaarts, maar het is ook slechts de eerste stap. De magnetische en katalytische eigenschappen in combinatie met de onverwachte bindingsspecificiteit voor schimmels openen opwindende mogelijkheden voor een geautomatiseerd ’target-bind-and-kill’ antischimmelmechanisme. We staan ​​te popelen om dieper te graven en het volledige potentieel ervan te ontsluiten.”

Deze robotbenadering opent een nieuwe grens in de strijd tegen schimmelinfecties en markeert een cruciaal punt in antischimmeltherapie. Met een nieuw hulpmiddel in hun arsenaal zijn medische en tandheelkundige professionals dichter dan ooit bij het effectief bestrijden van deze moeilijke ziekteverwekkers.