Seit Covid-19 sind wir uns alle der Lungengesundheit bewusster.

Für Menschen mit Asthma und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) ist der Umgang mit Lungenproblemen jedoch ein lebenslanger Kampf. Menschen mit COPD leiden unter stark entzündetem Lungengewebe, das anschwillt und die Atemwege verstopft, was das Atmen erschwert. Die Krankheit ist weit verbreitet und allein in den USA treten jährlich mehr als drei Millionen Fälle auf.

Obwohl es beherrschbar ist, gibt es keine Heilung. Ein Problem besteht darin, dass Lungen mit COPD Tonnen von zähem Schleim auspumpen, der eine Barriere bildet, die verhindert, dass Behandlungen die Lungenzellen erreichen. Die schleimige Substanz lockt – wenn sie nicht ausgehustet wird – auch Bakterien an, was den Zustand noch verschlimmert.

Eine neue Studie in Wissenschaft Fortschritte beschreibt eine mögliche Lösung. Wissenschaftler haben einen Nanoträger entwickelt, um Antibiotika in die Lunge zu befördern. Wie ein biologisches Raumschiff verfügt der Träger über „Türen“, die sich öffnen und Antibiotika in der Schleimschicht freisetzen, um Infektionen zu bekämpfen.

Auch die „Türen“ selbst sind tödlich. Sie bestehen aus einem kleinen Protein, reißen Bakterienmembranen auseinander und reinigen ihre DNA, um Lungenzellen von chronischen Infektionen zu befreien.

Das Team entwickelte mithilfe des Nanoträgers eine inhalierbare Version eines Antibiotikums. In einem COPD-Mausmodell wurden die Lungenzellen durch die Behandlung in nur drei Tagen wiederbelebt. Ihr Blutsauerstoffgehalt normalisierte sich wieder und frühere Anzeichen einer Lungenschädigung heilten langsam ab.

„Diese immunantibakterielle Strategie könnte das aktuelle Paradigma des COPD-Managements verändern“, so das Team schrieb in dem Artikel.

Atme mich

Die Lunge ist äußerst empfindlich. Stellen Sie sich dünne, aber flexible Zellschichten vor, die in Lappen unterteilt sind, um die Koordinierung des Sauerstoffflusses in den Körper zu unterstützen. Sobald Luft durch die Luftröhre strömt, verteilt sie sich schnell in einem komplexen Netzwerk von Zweigen und füllt Tausende von Luftbläschen, die den Körper mit Sauerstoff versorgen und ihn gleichzeitig von Kohlendioxid befreien.

Diese Strukturen können leicht beschädigt werden und Rauchen ist ein häufiger Auslöser. Zigarettenrauch führt dazu, dass umliegende Zellen eine schleimige Substanz ausstoßen, die die Atemwege verstopft und die Luftbläschen bedeckt, was ihnen die normale Funktion erschwert.

Mit der Zeit bildet der Schleim eine Art „Klebstoff“, der Bakterien anzieht und sich zu einem Biofilm verdichtet. Die Barriere blockiert zusätzlich den Sauerstoffaustausch und verändert die Umgebung der Lunge in eine Umgebung, die das Wachstum von Bakterien begünstigt.

Eine Möglichkeit, die Abwärtsspirale zu stoppen, besteht darin, die Bakterien auszurotten. Breitbandantibiotika sind die am häufigsten eingesetzte Behandlung. Aufgrund der schleimigen Schutzschicht können sie jedoch Bakterien tief im Lungengewebe nur schwer erreichen. Schlimmer noch: Eine Langzeitbehandlung erhöht das Risiko einer Antibiotikaresistenz, wodurch es noch schwieriger wird, hartnäckige Bakterien auszurotten.

Doch die Schutzschicht hat eine Schwäche: Sie ist einfach etwas zu sauer. Buchstäblich.

Politik der offenen Tür

Wie bei einer Zitrone ist die schleimige Schicht im Vergleich zu gesundem Lungengewebe etwas saurer. Diese Eigenart brachte das Team auf die Idee eines idealen Antibiotika-Trägers, der seine Nutzlast nur in einer sauren Umgebung freisetzt.

Das Team stellte hohle Nanopartikel aus Kieselsäure – einem flexiblen Biomaterial – her, füllte sie mit einem gängigen Antibiotikum und fügte „Türen“ hinzu, um die Medikamente freizusetzen.

Diese Öffnungen werden durch zusätzliche kurze Proteinsequenzen gesteuert, die wie „Schlösser“ funktionieren. In normalen Atemwegs- und Lungenumgebungen falten sie sich an der Tür zusammen und binden so im Wesentlichen die Antibiotika in der Blase.

Wird bei COPD in die Lunge freigesetzt, verändert der lokale Säuregehalt die Struktur des Lock-Proteins, sodass sich die Türen öffnen und Antibiotika direkt in den Schleim und Biofilm freisetzen – wodurch im Wesentlichen die bakterielle Abwehr durchbrochen wird und sie in ihrem Heimatgebiet gezielt angegriffen werden.

Bei einem Test drang das Gemisch in einen im Labor gezüchteten Biofilm in einer Petrischale ein. Im Vergleich zu einem früheren Nanopartikeltyp war es weitaus wirksamer, vor allem weil sich die Türen des Trägers öffneten, sobald er sich im Biofilm befand – in anderen Nanopartikeln blieben die Antibiotika eingeschlossen.

Die Träger könnten auch tiefer in infizierte Gebiete vordringen. Zellen haben elektrische Ladungen. Sowohl der Träger als auch der Schleim haben negative Ladungen, die – wie ähnlich geladene Enden zweier Magnete – die Träger tiefer in und durch die Schleim- und Biofilmschichten drücken.

Unterwegs ändert der Säuregehalt des Schleims langsam die Ladung des Trägers ins Positive, sodass sich, sobald der Biofilm passiert ist, der „Schloss“-Mechanismus öffnet und das Medikament freisetzt.

Das Team testete auch die Fähigkeit des Nanopartikels, Bakterien auszulöschen. In einer Schüssel löschten sie mehrere häufig vorkommende Arten infektiöser Bakterien aus und zerstörten ihre Biofilme. Die Behandlung erschien relativ sicher. Tests an menschlichen fötalen Lungenzellen in einer Schale ergaben minimale Anzeichen von Toxizität.

Überraschenderweise konnte der Träger selbst auch Bakterien zerstören. In einer sauren Umgebung zerstörte seine positive Ladung die Bakterienmembranen. Wie platzende Luftballons gaben die Käfer genetisches Material in ihre Umgebung ab, das der Träger mit sich nahm.

Das Feuer dämpfen

Bakterielle Infektionen in der Lunge locken überaktive Immunzellen an, was zu Schwellungen führt. Auch die Blutgefäße rund um die Luftbläschen werden durchlässig, wodurch gefährliche Moleküle leichter eindringen können. Diese Veränderungen verursachen Entzündungen, die das Atmen erschweren.

In einem COPD-Mausmodell beruhigte die Behandlung mit inhalierbaren Nanopartikeln das überaktive Immunsystem. Mehrere Arten von Immunzellen erreichten wieder ein gesundes Aktivierungsniveau, wodurch die Mäuse von einem stark entzündlichen Profil zu einem Profil wechseln konnten, das Infektionen und Entzündungen bekämpft.

Mäuse, die mit dem inhalierbaren Nanopartikel behandelt wurden, hatten etwa 98 Prozent weniger Bakterien in ihrer Lunge als Mäuse, denen das gleiche Antibiotikum ohne Träger verabreicht wurde.

Das Ausrotten der Bakterien ließ die Mäuse aufatmen. Sie atmeten leichter. Ihr Blutsauerstoffgehalt stieg an und der Säuregehalt im Blut – ein Zeichen für einen gefährlich niedrigen Sauerstoffgehalt – normalisierte sich wieder.

Unter dem Mikroskop stellten die behandelten Lungen normale Strukturen wieder her, mit stabileren Luftsäcken, die sich langsam von COPD-Schäden erholten. Die behandelten Mäuse hatten auch weniger Schwellungen in der Lunge aufgrund von Flüssigkeitsansammlungen, die häufig bei Lungenverletzungen auftreten.

Die Ergebnisse sind zwar vielversprechend, beziehen sich jedoch nur auf ein rauchbedingtes COPD-Modell bei Mäusen. Über die langfristigen Folgen der Behandlung wissen wir immer noch nicht viel.

Auch wenn es bisher keine Anzeichen von Nebenwirkungen gab, ist es möglich, dass sich die Nanopartikel im Laufe der Zeit in der Lunge ansammeln und schließlich Schäden verursachen. Und obwohl der Träger selbst die Bakterienmembranen schädigt, beruht die Therapie hauptsächlich auf dem eingekapselten Antibiotikum. Mit Antibiotika Resistenz Die Zahl der Medikamente nimmt zu, einige Medikamente verlieren bei COPD bereits ihre Wirkung.

Dann besteht im Laufe der Zeit die Gefahr mechanischer Schäden. Das wiederholte Einatmen von Nanopartikeln auf Siliziumbasis könnte langfristig zu Narbenbildung in der Lunge führen. Während Nanopartikel die Strategien für das COPD-Management verändern könnten, sei klar, dass wir Folgestudien brauchen, schrieb das Team.

Bild-Kredit: Kristall Licht / Shutterstock.com

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• Quelle: https://singularityhub.com/2024/02/12/an-antibiotic-you-inhale-can-deliver-medication-deep-into-the-lungs/