Квантовые точки сделали антибиотики в 1000 раз мощнее: синтез физики и медицины

С помощью квантовых технологий ученым удалось во много раз повысить эффективность антибиотиков, что поможет медикам справиться с самой главной проблемой XXI века — устойчивостью бактерий к препаратам.

Квантовые точки — это мельчайшие фрагменты проводников или полупроводников, носители заряда (то есть электроны) которых ограничены в пространстве по всем трем измерениям. Размер такой частицы при этом должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были хоть сколько-нибудь существенными. Ученые используют их вместо красителей в различных экспериментах, связанных с фотоэлектроникой: это позволяет отслеживать пути движения лекарств и других молекул в организме. Оказалось, что этим потенциал квантовых точек не исчерпывается: исследователи нашли им новое применение и, судя по всему, это станет серьезным шагом в борьбе с устойчивыми к лекарствам патогенами и инфекциями, которые они вызывают.

Антибиотики и квантовые технологии: научный синтез

В новом исследовании антибиотики, снабженные экспериментальной версией квантовых точек, показали себя в 1000 (!) раз более эффективными в борьбе с бактериями, чем их «обычные» версии. Ширина точек эквивалентна нити ДНК, диаметр которой составляет всего 3 нм. Они были изготовлены из теллурида кадмия — стабильного кристаллического соединения, часто используемого в фотогальванике. Электроны квантовых точек реагируют на зеленый свет определенной частоты, что заставляет их связываться с молекулами кислорода в организме и образовывать супероксид. Бактерии, поглощающие его, не могут сопротивляться антибиотикам — после такого «обеда» их внутренняя химия полностью нарушается.

Команда ученых смешивала различные количества квантовых точек с различными концентрациями каждого из пяти антибиотиков, чтобы создать широкий диапазон образцов для тестирования. Затем они добавили эти образцы к пяти штаммам лекарственно-устойчивых бактерий, включая устойчивый к метициллину Staphylococcus aureus, также известный как MRSA. В 480 тестах с различными комбинациями квантовых точек, антибиотиков и бактерий более 75% образцов с квантовыми точками смогли сдержать рост бактерий и даже полностью уничтожить бактерии с более низкими дозами антибиотиков.

Устойчивость к антибиотикам: бич XXI века

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), устойчивость к антибиотикам является одной из самых серьезных угроз для продовольственной безопасности, здоровья и развития в мире. Это может затронуть любого человека в любой стране: инфекции, которые в прошлом легко поддавались лечению (к примеру гонорея, пневмония и туберкулез), с годами обретают все большую устойчивость к антибиотикам, а потому справиться с ними все труднее. Помимо очевидных рисков для здоровья и даже повышения смертности, устойчивость к антибиотикам сказывается и на экономике: из-за нее растут расходы на медицину, а также увеличивается длительность пребывания пациентов в больницах. И хотя выработка устойчивости — это естественный эволюционный процесс, люди умудряются усугублять его еще больше. К примеру, неправильное и частое использование антибиотиков как у людей, так и у животных резко ускоряет этот процесс.

Только в США по меньшей мере 2 000 000 человек ежегодно страдают от увеличения резистентности к антибиотикам. Если ситуация не изменится, то к 2050 году устойчивость к антибиотикам станет причиной смерти более 10 миллионов человек! Поэтому исследователи по всему миру работают над тем, чтобы повлиять на эту тенденцию самыми разными способами. Некоторые используют методику CRISPR для непосредственной атаки бактериальных агентов, в то время как другие ищут способы противостоять грибковым инфекциям. Ученые даже пытаются справиться с самим механизмом возникновения резистивности и лишить бактерий их главного преимущества.

Заключение

Конечно, использование квантовых точек тоже сопряжено с рядом трудностей. Одной из них является свет, который активирует процесс: у него не просто должен быть источник, но еще и само излучение просвечивает лишь сквозь несколько миллиметров плоти. Поэтому на данный момент использование квантовой терапии по‑настоящему эффективно лишь для решения поверхностных проблем. Тем не менее, обойти эту проблему можно весьма элегантным способом: команда уже работает над созданием наночастиц, которые реагируют на инфракрасный свет — он проходит сквозь все тело и может быть использован при лечении даже инфекции, очаги которой залегают глубоко в мягких и костных тканях.