Внутриклеточные бактерии — серьезная проблема для медицины. Они могут заражать разные типы клеток и вызывать тяжелые заболевания, такие как туберкулез, листериоз и хламидиоз. Хламидии — одни из самых распространенных внутриклеточных патогенов, которые поражают половые органы, глаза, дыхательные пути и суставы. Они могут существовать в двух формах: инфекционной, имеющей толстую клеточную стенку и способной заражать другие клетки, и ретикулярной, которая активно делится внутри клетки-хозяина. Когда хламидии попадают в клетку, они образуют внутриклеточный пузырек — хламидийное включение, которое защищает их от иммунной системы и антибиотиков. При этом хламидии могут переходить из одной формы в другую в зависимости от условий среды. Например, при лечении антибиотиками они могут становиться латентными — неактивными и нечувствительными к лекарствам.
Чтобы бороться с такими упрямыми бактериями, ученые решили использовать наночастицы — крошечные частицы размером в несколько нанометров (миллиардная часть метра), которые могут переносить разные вещества. В данном случае ученые использовали наночастицы из металл-органических каркасных соединений (МОКС) — пористые материалы, состоящие из ионов металлов (в данном случае железа), связанных органическими молекулами (в данном случае тримезиновой кислотой). Эти наночастицы имеют ряд преимуществ: они биоразлагаемы, биосовместимы, химически стабильны в воде и малотоксичны. Внутри пористой структуры наночастиц ученые поместили фотосенсибилизатор — метиленовый синий, который под действием видимого света способен генерировать активные формы кислорода, такие как синглетный кислород и свободные радикалы. Эти формы кислорода повреждают бактериальные структуры, такие как клеточная стенка, мембрана, ДНК и белки, и вызывают гибель бактерии. Этот процесс называется фотодинамической инактивацией.
Ученые провели эксперименты на зараженных хламидиями макрофагах — клетки иммунной системы, которые поглощают и уничтожают чужеродные агенты. Они показали, что наночастицы не только способны проникать внутрь макрофагов, но и накапливаются в хламидийных включениях, достигая бактерий. При облучении светом наночастицы высвобождают фотосенсибилизатор, который генерирует активные формы кислорода и убивает хламидии. Ученые отмечают, что такой подход имеет высокую эффективность и специфичность, так как фотосенсибилизатор действует только в том месте, где находятся бактерии, и не повреждает окружающие ткани.
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
— Михаил Дурыманов, заместитель заведующего лабораторией специальных клеточных технологий МФТИ и автор идеи проекта.
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
— 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).
