Cel projektu
Projekt dotyczy ważnego zagadnienia dotyczącego wytwarzania nośników leków do lokalnego zwalczania zakażeń kości i szpiku. Zapalenie kości i szpiku (OM – z łac. osteomyelitis) to stan zapalny tkanki kostnej i szpiku kostnego, który jest jedną z najtrudniejszych do wyleczenia chorób zakaźnych. Infekcje kości, które nie są odpowiednio leczone, mogą powodować poważne komplikacje, w tym:
- martwicę kości,
- zapalenie stawów,
- zaburzenia wzrostu kości,
- a nawet śmierć.
Najczęściej izolowanym patogenem (powyżej 75% przypadków OM) jest gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus). Inne szczepy odpowiedzialne za OM to enterokoki, paciorkowce, pałeczka ropy błękitnej.
Zapalenie kości i szpiku może rozwinąć się u każdego, ale ryzyko zachorowania jest większe, jeśli pacjent:
ma mniej niż 13 lat;
miał wcześniej zapalenie kości i szpiku;
miał wcześniej zapalenie kości i szpiku;
ma złamania/rany;
miał operację;
ma osłabiony układ odpornościowy (na przykład z powodu chemioterapii lub HIV)
Leczenie jest uzależnione od etapu choroby i obejmuje:
antybiotykoterapię: kilkutygodniowe dożylne podawanie antybiotyków m.in. wankomycyny i ciprofloksacyny
operacyjne usunięcie zainfekowanych tkanek
zastosowanie lokalnego systemu uwalniania leków
w skrajnych przypadkach amputację kończyn
Celem projektu jest otrzymanie nośnika dwóch antybiotyków – wankomycyny i ciprofloksacyny do lokalnego dostarczania leków w zwalczaniu zakażenia szpiku i kości.
Obecnie głównym problemem w leczeniu infekcji jest oporność bakterii na środki przeciwdrobnoustrojowe. Spowodowane jest to głównie niewłaściwym, zbyt krótkim lub nadmiernym stosowaniem antybiotyków. Niestety liczba szczepów bakterii wykazujących oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe i zakres oporności wciąż wzrasta. Naukowcy szacują, że do 2050 r. antybiotykooporność może przyczynić się do śmierci nawet 10 mln ludzi. Dlatego pilnie potrzebne są nowe strategie leczenia, takie jak zaproponowane w projekcie nowe podejście do lokalnego dostarczania leków przeciwbakteryjnych do miejsc zainfekowanych. Celem projektu jest otrzymanie nośnika dwóch antybiotyków – wankomycyny i ciprofloksacyny do lokalnego dostarczania leków w zwalczaniu zakażenia szpiku i kości. W niniejszym projekcie proponujemy syntezę hybrydowych nanokwiatów z roztworu soli wapnia, magnezu lub strontu oraz bydlęcej albuminy (BSA) lub kolagenu. Otrzymane nanokwiaty zostaną wykorzystane do immobilizacji dwóch antybiotyków stosowanych w leczeniu zapalenia szpiku i kości, tj. wankomycyny i ciprofloksacyny. Nanokwiaty z lekami zostaną zawieszone w matrycy hydrożelowej, w celu utworzenia wstrzykiwalnego żelu stopniowo uwalniającego antybiotyki w miejscu występowania zakażenia. Zostanie opracowana optymalna metoda wytwarzania poszczególnych elementów systemu dostarczania leków. Zostanie zbadany profil uwalniania leków z nośników, stabilność i czas degradacji wytworzonych układów oraz ich w właściwości antybakteryjne.
Nanokwiaty
Hybrydowe nanokwiaty to struktury o wymiarach rzędu mikrometrów, które wykazują strukturalne podobieństwo do kwiatów (obrazy SEM). Przedrostek nano- układy te zawdzięczają licznym płatkom o wielkości nanometrów, które tworzą strukturę nanokwiatów. Historia hybrydowych nanokwiatów rozpoczęła się w 2012 roku, gdy zostały odkryte przez Ge i współpracowników, w wyniku przypadkowego dodania roztworu CuSO4 do roztworu soli fizjologicznej buforowanej fosforanem (PBS, ang. phosphate-buffered saline) z dodatkiem albuminy surowicy bydlęcej (BSA, ang. bovine serum albumin). Niezależnie od stosowanych do syntezy komponentów, mechanizm tworzenia hNF jest bardzo podobny i składa się z 4 etapów: nukleacji, koordynacji, wytrącania i samoorganizacji.
W pierwszym etapie jony metalu przyłączają się poprzez oddziaływania elektrostatyczne do ujemnie naładowanych reszt fosforanowych PO43- i tworzą kryształy pierwotne. Następnie, w wyniku wiązań koordynacyjnych, które powstają pomiędzy jonami metalu, a atomami azotu pochodzącymi z grup aminowych dochodzi do immobilizacji białka. W ten sposób powstają pierwotne nanopłatki, które zaczynają ze sobą agregować i rozpoczyna się proces samoorganizacji. Płatki rosną, tworząc wielowarstwową strukturę, która swoim kształtem przypomina kwiaty. Wzrost hNF zostaje zakończony, gdy hierarchiczna struktura zostanie wysycona.
Do tej pory, otrzymano nanokwiaty z miedzią (zdecydowana większość) i innymi metalami przejściowymi oraz z wapniowcami: magnezem i wapniem. Biorąc pod uwagę potencjalne zastosowania hybrydowych nanokwiatów w biomedycynie, należy rozważyć zastosowanie nietoksycznych jonów metali. Miedź jest pierwiastkiem śladowym, którego wymagane spożycie wynosi ok. 1-10 mg dziennie. Chociaż jony miedzi są niezbędne dla wielu procesów biologicznych, nadmiar miedzi wykazuje toksyczność komórkową. Spożycie więcej niż 1 g siarczanu miedzi powoduje objawy zatrucia i może być śmiertelne. Dla porównania, 1 g dziennie to zalecana ilość wapnia, która w określonych przypadkach może być ponad dwukrotnie większa. Wapń jest pierwiastkiem niezbędnym do budowy kości i zębów. Homeostaza wapnia w osoczu odgrywa istotną rolę w regulacji wydzielania hormonów, czynności naczyniowych oraz innych procesów, takich jak wzrost i migracja komórek oraz pobudzanie neuronów. Dlatego wapń został przez nas wybrany jako nietoksyczny jon do utworzenia hybrydowych nanokwiatów.
Zastosowanie systemów dostarczania leków ma na celu zmniejszenie częstotliwości przyjmowania leków, jednocześnie zapewniając utrzymanie odpowiedniego stężenia substancji w tkankach przez określony czas. Tym samym zapewniają one poprawę skuteczności terapeutycznej oraz redukują działania niepożądane leków. Głównym wyzwaniem podczas opracowywania systemów dostarczania leków jest zapewnienie odpowiedniej ochrony podczas transportu i uwalnianie substancji czynnych w odpowiednim miejscu i czasie w organizmie, w bezpieczny i powtarzalny sposób. Zastosowanie nośników do dostarczania leków zapewnia liczne korzyści. Poprawia rozpuszczalność, farmakokinetykę i biodystrybucję leków, umożliwia kontrolowane uwalnianie i specyficzne dostarczanie leków, a tym samym ogranicza ich toksyczność. Ponadto właściwości fizykochemiczne nośników można modyfikować zmieniając ich skład chemiczny, rozmiar oraz kształt. Wykorzystanie nośników w dostarczaniu leków ma na celu zapewnienie bardziej skutecznego leczenia farmakologicznego przy minimalnych skutkach ubocznych.
Ze względu na rodzaj materiału z jakiego mogą być syntezowane nośniki leków możemy je podzielić na trzy kategorie:
Z uwagi na fakt, że kości to układy organiczno (oseina)- nieorganiczne (hydroksyapatyt), nasza uwaga badawcza skupiła się wokół tej ostatniej kategorii nośników leków. W projekcie planowane jest otrzymanie różnych struktur tzw. nanokwiatów hybrydowych, wykorzystując biomolekuły, takie jak albuminy i kolagen oraz sole wapnia, strontu i magnezu i wykorzystanie ich jako nośników dla wankomycyny i ciprofloksacyny.
