Ryska ITMO-forskare har utvecklat en screeningplattform för att identifiera nanopartiklar som är selektivt toxiska för patogena bakterier men säkra för nyttiga mikroorganismer.
Enligt artikeln kommer detta arbete att vara användbart inom medicin och jordbruk: det kommer att bidra till att bekämpa bakterieinfektioner, t.ex. lunginflammation, som har utvecklat resistens mot traditionella antibiotika.
För att ta itu med detta problem använde forskarna artificiell intelligensteknik som maskininlärning och generativa algoritmer.
Antibiotika används för att bekämpa bakterieinfektioner – för att behandla sjukdomar hos människor och djur, för att utveckla läkemedel och vacciner, för att skydda grödor och växter och för att förlänga hållbarheten hos livsmedel.
Den frekventa användningen av antibiotika leder dock till antibiotikaresistens – bakterier blir resistenta mot sådan profylax och den blir ineffektiv.
Nanopartiklar baserade på silver, guld, zinkoxid eller kopparoxid kan vara ett alternativ till antibiotika.
Denna teknik har både för- och nackdelar: nanopartiklar kan hämma tillväxten av antibiotikaresistenta bakterier och döda infektionen, men de dödar också nyttiga mikroorganismer som är viktiga för matsmältningen och immunförsvaret.
Den traditionella metoden för att syntetisera och testa nanomaterial är tidskrävande och arbetsintensiv och gör det inte möjligt att fastställa nanopartiklarnas selektiva toxicitet – förmågan att endast döda skadliga bakterier utan att påverka nyttiga bakterier.
Detta beror på att det ännu inte är känt hur nanopartiklarnas parametrar (form, storlek och sammansättning) förhåller sig till deras selektiva toxicitetsegenskaper.
Forskare från ITMO:s Chemistry and Biology Cluster har för första gången i världen använt artificiell intelligens och maskininlärning för att utveckla en plattform för att söka efter nanopartiklar med selektiv toxicitet för att bekämpa patogena bakterier.
”Vi har utvecklat en screeningplattform för att identifiera nanopartiklar som selektivt riktar in sig på och dödar skadliga bakterier, t.ex. sådana som orsakar lunginflammation, samtidigt som de lämnar nyttiga mikroorganismer oskadda.
Detta tillvägagångssätt kommer att vara användbart vid behandling av alla antibiotikaresistenta infektioner och kan utgöra ett nytt sätt att bekämpa sjukdomar som nuvarande antibiotika inte kan hantera.
Dessa nanopartiklar skulle kunna användas inom både medicin och jordbruk för att skydda grödor och boskap från resistenta patogena infektioner”, förklarar artikelns försteförfattare, Sussan Dzhakhvo, en tredjeårsdoktorand vid ITMO Universitys SCAMT Chemistry and Biology Cluster.
För att utveckla screeningplattformen samlade ITMO-forskarna en databas med cirka 2 000 prover som beskrivs i mer än 70 vetenskapliga artiklar.
Databasen innehöll nanopartiklarnas fysikalisk-kemiska egenskaper, bakteriernas biokemiska parametrar och de experimentella resultaten.
All information analyserades med hjälp av maskininlärning och en genetisk algoritm. Den senare är baserad på principerna för naturligt urval och genetik: nanopartiklar väljs ut, deras parametrar som storlek, form och sammansättning korsas och optimala varianter väljs ut.
På en sekund valde den genetiska algoritmen ut mer än 500 prover, de mest lämpliga för testning i laboratorieexperiment.
Med hjälp av plattformen fann forskarna att nanopartiklar av kopparoxid selektivt dödade Staphylococcus aureus-bakterier, medan nanopartiklar av zinkoxid selektivt dödade Klebsiella pneumoniae-bakterier.
Båda nanomaterialen lämnar de icke-patogena Bacillus subtilis-bakterierna intakta.
I framtiden planerar ITMO-forskarna att välja ut selektivt toxiska nanopartiklar som kan kombineras med antibiotika för att öka deras kliniska effekt mot infektioner.
Förutom för läkemedelsutveckling kan selektiva nanomaterial potentiellt användas för sjukdomsdiagnostik och utveckling av tester och biosensorer.
På lång sikt skulle denna utveckling kunna öka hastigheten och noggrannheten vid detektion av patogena bakterier i både kliniska patientprover och livsmedelsprodukter.
För att kunna göra detta måste forskarna dock fortfarande studera selektiva nanopartiklars toxicitet och immunogenicitet (förmåga att framkalla ett immunsvar) på mänskliga celler i in vitro- och in vivo-tester.
Baserat på
