Každý rok zemře na 700 000 lidí v důsledku infekce bakteriemi rezistentními k antibiotikům. Bakteriální rezistence se tak v současnosti stává jednou z největších hrozeb a zároveň výzev moderní medicíny. Vědci z Brigham and Women's Hospital se této výzvě postavili a pustili se do vývoje nových antibiotik, jež by měla být v podobě speciálního biologického cementu aplikována přímo do kosti za účelem léčby komplikovaných kostních infekcí, které často doprovázejí běžné chirurgické zákroky ortopedické povahy. Jejich nová studie byla publikována ve velmi prestižním časopise Nature Biomedical Engineering.

„V současné době Úřadem pro potraviny a léčiva (FDA) jsou schváleny pouze kostní cementy obsahující antibiotika, která původně nebyla zamýšlena jako léčiva pro infekce kostní tkáně,“ vysvětluje Hae Lin Jang, vedoucí Laboratoře pro vývoj pokročilých biomateriálů a biotechnologií, který výzkumný tým vedl. „Kromě toho, že nejsou specifické pro kostní tkáň, se navíc proti těmto antibiotikům objevila rezistence. Potřebujeme tak vytvořit novou generaci antibiotik, která budou optimalizována tak, aby vyhovovala této vznikající potřebě.“

Před vědci na počátku stály dvě výzvy – jednak se vypořádat s rostoucí incidencí antibiotické rezistence a jednak optimalizovat složení kostního cementu, tak aby antibiotika v nich obsažená byla určena specificky pro léčbu kostních infekcí.

Protože populace neustále stárne, lidé se dožívají vyššího a vyššího věku, v důsledku čehož narůstá počet ortopedických chirurgických výkonů, které jsou častou příčinnou právě infekce kostí. A tak je vývoj v této oblasti nezbytný. Běžné postupy, jako jsou náhrady kolenního a kyčelního kloubu, mohou vést k bakteriální infekci – ta je nejčastěji vyvolaná stafylokokem. Tyto typy infekcí jsou v současnosti obecně léčeny systémovými antibiotiky, což z hlediska rizika rozvoje antibiotické rezistence rozhodně není optimální způsob. Systémová expozice antibiotikům není přesně zaměřena na konkrétní typ infekce, tj. na konkrétní bakteriální druh, a tak navíc trpí naše přirozená mikroflóra.

Výrazně pomoci by mohla lokálně aplikovaná účinná úzkospektrá antibiotika. A tak se vědci v rámci své nejnovější studie zaměřili na vývoj nových antibiotik za využití umělé inteligence, která by se dala lokálně aplikovat přímo do kosti v podobě biologického cementu.

Jako základní matrici kostního cementu vědci použili polymethylmetakrylátový (PMMA) kostní cement, který platí za zlatý standard uznávaný FDA. Výzkumníci vybrali kandidátní nová antibiotika a provedli preklinický screening na bakteriích citlivých či rezistentních k běžným třídám antibiotik. V dalším kroku tým porovnal účinnost v současnosti klinicky využívaného kostního cementu a jejich nového kostního cementu obsahujícího nová antibiotika. Pro tento účel vědci využili zavedený model imitující poraněnou holenní kost, která je infikovaná stafylokokem.

Na základě prvotního screeningu účinnosti proti bakteriím se výzkumníci zaměřili zejména na kandidátní antibiotikum s názvem VCD-077, jehož velkou přednostní je jeho duální mechanismus účinku, v důsledku čehož je pro bakterii obtížné vyvinout si proti němu rezistenci.

VCD-077 nejenže vykazuje požadovanou kinetiku uvolňování léčiva z kostního cementu PMMA bez ovlivnění jeho stability, ale také prokazuje vysokou účinnost proti širokému spektru rezistentních bakterií. Zároveň si proti němu bakterie jen velmi obtížně budovaly rezistenci.

Vědci studovali aktivitu a účinnost této látky i na zvířecích modelech. Konkrétně na potkaním modelu vykazuje kostní cement PMMA obsahující látku VCD-077 výrazně větší účinnost než všechny v současnosti používané kostní cementy obsahující antibiotika proti stafylokokovým kostním infekcím.

Avšak přes velmi slibné výsledky není ještě vyhráno. Před klinickou aplikací bude potřeba provést důkladné klinické testování, kdy bude ověřováno, zda je účinnost u lidí stejná jako u testovaného potkaního modelu a také bude analyzována potenciální toxicita látky a její farmakokinetické a farmakodynamické vlastnosti.

Vědci nicméně věří v zářnou budoucnost jejich látky a její využití vidí zejména v tkáňově specifické, lokalizované léčbě typu minimálně invazivní injekce biologického cementu obsahujícího antibiotikum do kosti.

„Budoucnost, co se týká možností léčby bakteriálních infekcí, spočívá v kombinování vývoje nových léčiv s umělou inteligencí, která dokáže predikovat jejich aktivitu, aniž by byl ztrácen čas reálným experimentováním v laboratoři. Tento přístup ve vývoji nových antibiotik je výrazně účinnější a nákladově efektivnější,“ říká spoluautor studie Shiladitya Sengupta. „Léčba může být stále složitější a bakterie mohou být stále sofistikovanější ve vývoji rezistenčních mechanismů, ale i my biomedicínští inženýři jsme stále sofistikovanější,“ uzavírá s nadsázkou Hae Lin Jang.

Originální publikace: Nature Biomedical Engineering (impact factor 25.7)

Zdroj: ScienceDaily

Zdroj titulního obrázku: CDC, Unsplash

Více z infekční medicíny na CZECHSIGHT:

Vědci už vědí, proč stafylokokové vakcíny v klinických testech selhaly, a pracují na jejich vylepšení
Zlatý stafylokok běžně kolonizuje naše tělo. Za jistých okolností se z něj ale může stát smrtící patogen, který navíc v důsledku antibiotické krize špatně odpovídá na léčbu. Vyvíjené vakcíny však opakovaně v klinických testech selhávaly. A vědci nyní konečně vědí proč, a tak můžou změnit strategii.
Vědci ušili bakteriím neviditelný plášť. Mohly by pomoci v léčbě rakoviny
Probiotické bakterie mají příznivý vliv na lidské zdraví. V budoucnu by své uplatnění mohly najít i v léčbě rakoviny. Americký tým vědců pro tento účel bakterie naprogramoval tak, aby byly neviditelné pro imunitní systém.