Využití magnetických nanočástic v boji s bakteriemi

Tento problém mohou vyřešit tzv. depotní formulace (tedy nosiče s léčivy) schopné řízeného neinvazivního dávkování léčiva. Předmětem mé práce je příprava kompozitních mikročástic skládajících se z jádra a obalu, které jsou schopné řízeného opakovaného dávkování antibiotika za využití vnějšího podnětu ve formě magnetických impulzů. Jádro takovýchto mikročástic je tvořeno tuhým inertním voskem, ve kterém se nacházejí krystaly antibiotika. Slupka částice je pak tvořena biopolymerem – alginátem, ve kterém jsou ukotveny nanočástice oxidu železa, které umožňují kontrolovaně částici ohřát, roztavit vosk, a vyloučit tak antibiotikum v přítomnosti magnetického pole (Obrázek 1).

Obrázek 1. Kompozitní mikročástice v magnetickém poli vylučující antibiotikum, které zabíjí bakterie [3].

Princip lokální produkce tepla magnetickými nanočásticemi je založen na jejich interakci s vnějším střídavým magnetickým polem, které je pro tělo neškodné a dokáže pronikat do velké hloubky. Tyto nanočástice jsou tak malé, že v sobě obsahují prakticky jen jednu magnetickou doménu, díky čemu mají tendenci orientovat se ve směru okolního magnetického pole. Rychlé střídání vnějšího magnetického pole pak vede k intenzivnímu pohybu částic, což vede k uvolňování tepla. Skrz alginátovou slupku prochází antibiotikum uvolněné z roztátého vosku prostou difúzí a distribuuje se do okolí. Po ukončení magnetického impulzu produkce tepla ustane, jádro opět zatuhne a uvolňování antibiotika se zastaví. Opakovanými magnetickými impulzy, a tedy opakovaným táním a tuhnutím vosku, je možné léčivo bezkontaktně dávkovat bez nutnosti přímého zásahu do těla pacienta.

V rámci mé bakalářské práce se mi úspěšně podařilo pomocí enkapsulačního zařízení připravit kompozitní mikročástice o velikosti cca 500 µm, které byly tvořeny jedním jádrem obaleným alginátovou slupkou (Obrázek 2). Takto připravené částice vykazovaly výbornou odezvu na přítomnost magnetického pole a bylo tedy možné potvrdit jejich schopnost řízeného dávkování antibiotika. To bylo úspěšně potvrzeno v systému obsahující bakterie Escherichia coli, kde byly všechny bakterie usmrceny již po třech magnetických impulzech [3].

V rámci své bakalářské práce jsem optimalizoval syntézu série chinolonových fragmentů a propojením některých z nich s dalšími hity z předchozích screeningů jsem připravil inhibitory s výrazně vyšší afinitou k DC-SIGN receptoru. Kromě organické syntézy jsem se věnoval i vyhodnocení výsledků biologických testů a na závěr navrhl další strukturní úpravy, které by mohly vést k ještě účinnějším látkám.

Obrázek 2. A: Mikroskopická analýza čerstvě připravených kompozitních mikročástic složených z jádra a slupky; B: Mikročástice zvětšená pod mikroskopem

V současnosti práci se zaměřuji na zkoumání maximálního počtu magnetických impulzů, které je částice schopna podstoupit a množství antibiotika, které je schopna při takovém počtu cyklů uvolnit. Optimalizované částice budou následně testovány v in vivo systému, kde bude možné kromě antibakteriálního účinku testovat i reakci těla na tento inovativní způsob podávání antibiotik.

[1] Chen, Y. C., Gad, S. F., Chobisa, D., Li, Y., Yeo, Y.; Local drug delivery systems for inflammatory diseases: Status quo, challenges, and opportunities. Journal of Controlled Release 2021, 330, 438-460

[2] Giedraitienė, A.; Vitkauskiene, A.; Naginiene, R.; Pavilonis, A. Antibiotic resistance mechanisms of clinically important bacteria. Medicina 2011, 47 (3), 19.

[3] Navrátil, O.; Lizoňová, D.; Slonková, K.; Mašková, L.; Zadražil, A.; Sedmidubský, D.; Štěpánek, F. Antibiotic depot system with radiofrequency controlled drug release. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2022, 217, 112618.