Ученые из России и Франции предложили использовать мезопористые наночастицы на основе металл-органических каркасных соединений для борьбы с бактериальными внутриклеточными паразитами — хламидиями. Проведенные исследования показали, что такие наночастицы способны проникать в клетку-хозяина, достигать внутриклеточных пузырьков (включений), которые занимают хламидии, и выделять инкапсулированные лекарственные вещества в непосредственной близости от бактериальной клетки, что позволило применить фотодинамический подход для инактивации патогена. Работа опубликована в журнале ACS Infectious Diseases.
Схема применения наночастиц МОКС MIL-100 с фотосенсибилизатором метиленовым синим для инактивации C. trachomatis в зараженных клетках. Источник: ACS Infectious Diseases
Внутриклеточные бактериальные патогены до сих пор представляют угрозу для жизни и здоровья человека. К примерам таких микроорганизмов относятся Mycobacterium tuberculosis, Listeria monocytogenes и Chlamydia trachomatis, которые вызывают такие заболевания, как туберкулез, листериоз и трахома, соответственно. Одной из главных сложностей в лечении данных инфекций является то, что, занимая нишу внутри клетки-хозяина, бактерии оказываются защищены мембранами этой клетки и от антибиотиков, и от клеток иммунной системы. Например, хламидии, в том числе C. trachomatis, могут существовать в разных формах. Инфекционная (внеклеточная) форма представляет собой элементарные тельца, мелкие сферические образования размером 0,2–0,4 мкм с толстой клеточной стенкой. В клетке-хозяине элементарные тельца формируют включения, где трансформируются в ретикулярные тельца, которые крупнее в несколько раз, активно делятся и уязвимы для лекарств. В ответ на антибиотикотерапию ретикулярные тельца могут трансформироваться в латентную форму — аберрантные тельца, которые метаболически неактивны и, следовательно, нечувствительны к антибиотикам. В связи с этим использование наночастиц, способных доставлять антибактериальные агенты в область бактериальной ниши внутри клетки-хозяина (то есть в хламидийные включения) выглядит очень перспективным, особенно учитывая, что подобные системы уже применялись для борьбы с другими паразитическими бактериями, например с золотистым стафилококком.
В качестве «контейнера для лекарств» ученые выбрали мезопористые наночастицы. Они состоят из ионов металлов (или кластеров ионов) и связывающих их мостиков из органических молекул — «линкеров». В ходе синтеза получаются пористые каркасные структуры, причем в эти поры можно поместить лекарственные вещества. Исследователи получили для эксперимента наночастицы на основе катионов железа и тримезиновой кислоты, которые обладают, биоразлагаемостью, биосовместимостью, химической стабильностью в воде и низкой токсичностью. В качестве антибактериального агента был использован фотосенсибилизатор метиленовый синий, который при освещении видимым светом красного диапазона участвует в генерации активных форм кислорода, повреждающих бактериальные структуры и вызывающих фотодинамическую инактивацию патогена. В отличие от антибиотикотерапии, фотодинамическая терапия не зависит от метаболической активности бактерий, что позволяет надеяться на возможность эффективного использования данного подхода для лечения покоящейся формы хламидий.
В качестве модели ученые использовали зараженные хламидиями макрофаги. Было показано, что наночастицы способны не только проникать в зараженные клетки, но и накапливаться внутри хламидийных включений, то есть достигать непосредственной близости к бактериям (рисунок 2).
Накопление наночастиц МОКС MIL-100 (белая стрелка) рядом с элементарными тельцами C. trachomatis (черная стрелка) внутри включений (белая звездочка) в зараженных макрофагах RAW264.7. Сокращения: N — ядро; С — цитозоль; Е, внеклеточное пространство. Длина масштабной линейки составляет 500 нм. Источник: ACS Infectious Diseases
Михаил Дурыманов, заместитель заведующего лабораторией специальных клеточных технологий МФТИ и автор идеи проекта, рассказывает: «Большинство генерируемых при участии фотосенсибилизатора кислородных радикалов обладает малым временем жизни и коротким пробегом в клетке, а следовательно, они будут взаимодействовать и повреждать только близко расположенные бактериальные клетки и не приносить значительного ущерба отдаленно расположенным клеточным структурам хозяйской клетки, например ядру. Именно способность наночастиц МОКС MIL-100 доставлять лекарства в хламидийные включения позволила нам впервые применить фотодинамический подход для уничтожения данных бактерий в инфицированной клетке-хозяине».
Было показано, что добавление наночастиц на основе металл-органических каркасных соединений с фотосенсибилизатором к незараженным макрофагам и последующее их облучение видимым светом красого диапазона не оказывало цитотоксического эффекта на данные клетки. Вместе с тем такая же обработка инфицированных хламидиями макрофагов приводила к полной инактивации бактерий внутри хозяйских клеток. Это показали тесты с повторной инфекцией клеток линии HeLa. При этом использование железосодержащих наночастиц для доставки фотосенсибилизатора позволило дополнительно увеличить фотодинамический эффект.
«Мы обнаружили, что наши наночастицы не просто выступают в качестве средства доставки фотосенсибилизатора в хламидийные включения, но и сами помогают усилить фотодинамический эффект благодаря наличию в их составе атомов железа, которые принимают участие в генерации наиболее реакционноспособных кислородных радикалов», — объясняет Сяоли Ци, аспирантка лаборатории специальных клеточных технологий МФТИ.
Таким образом, в работе удалось показать возможность фотодинамической инактивации хламидий с помощью мезопористых наночастиц на основе металл-органических каркасных соединений с фотосенсибилизатором без вреда для клетки-хозяина, что делает предложенный учеными подход крайне перспективным, особенно для борьбы с латентными хламидийными инфекциями.
Кроме сотрудников лаборатории специальных клеточных технологий МФТИ, в работе принимали участие их коллеги из МГУ им. М. В. Ломоносова, НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи, ФНКЦ физико-химической медицины им. Ю. М. Лопухина и Института пористых материалов Парижа (IMAP, Ecole Normale Supérieure).
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
Лаборатория специальных клеточных технологий входит в состав ФБМФ МФТИ. Сотрудники лаборатории осуществляют научное руководство работами студентов и аспирантов в области биофизики и клеточных технологий.
