Vi har alla varit mer medvetna om lunghälsa sedan Covid-19.

Men för personer med astma och kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL) är det en livslång kamp att hantera lungproblem. De med KOL lider av starkt inflammerad lungvävnad som sväller och blockerar luftvägarna, vilket gör det svårt att andas. Sjukdomen är vanlig, med mer än tre miljoner årliga fall enbart i USA.

Även om det är hanterbart finns det inget botemedel. Ett problem är att lungor med KOL pumpar ut massor av trögflytande slem, vilket utgör en barriär som hindrar behandlingar från att nå lungceller. Den slemmiga substansen - när den inte hostas ut - drar också till sig bakterier, vilket ytterligare förvärrar tillståndet.

En ny studie in Vetenskap Förskott beskriver en potentiell lösning. Forskare har utvecklat en nanobärare för att transportera antibiotika in i lungorna. Som ett biologiskt rymdskepp har bäraren "dörrar" som öppnar och släpper ut antibiotika inuti slemskiktet för att bekämpa infektioner.

"Dörrarna" i sig är också dödliga. Tillverkade av ett litet protein, river de isär bakteriemembran och renar upp deras DNA för att befria lungceller från kronisk infektion.

Teamet konstruerade en inhalerbar version av ett antibiotikum med hjälp av nanobäraren. I en musmodell av KOL återupplivade behandlingen deras lungceller på bara tre dagar. Deras syrenivåer i blodet återgick till det normala, och tidigare tecken på lungskador läkte långsamt.

"Denna immunoantibakteriella strategi kan förändra det nuvarande paradigmet för KOL-hantering," teamet skrev i artikeln.

Andas mig

Lungorna är extremt känsliga. Föreställ dig tunna men flexibla lager av celler separerade i lober för att hjälpa till att koordinera syreflödet in i kroppen. När luft väl strömmar genom luftröret sprids den snabbt bland ett komplext nätverk av grenar och fyller tusentals luftsäckar som förser kroppen med syre samtidigt som den befriar den från koldioxid.

Dessa strukturer skadas lätt, och rökning är en vanlig utlösande faktor. Cigarettrök får omgivande celler att pumpa ut ett slemmigt ämne som blockerar luftvägarna och täcker luftsäckar, vilket gör det svårt för dem att fungera normalt.

Med tiden bygger slemmet ett slags "lim" som attraherar bakterier och kondenserar till en biofilm. Barriären blockerar ytterligare syreutbytet och förändrar lungans miljö till en gynnsam för bakterietillväxt.

Ett sätt att stoppa den nedåtgående spiralen är att utplåna bakterierna. Bredspektrumantibiotika är den mest använda behandlingen. Men på grund av det slemmiga skyddande lagret kan de inte lätt nå bakterier djupt inne i lungvävnaden. Ännu värre, långvarig behandling ökar chansen för antibiotikaresistens, vilket gör det ännu svårare att utplåna envisa bakterier.

Men det skyddande lagret har en svaghet: det är bara lite för surt. Bokstavligen.

Öppen dörr policy

Som en citron är det slemmiga lagret något surare jämfört med frisk lungvävnad. Denna egenhet gav teamet en idé om en idealisk antibiotikabärare som bara skulle släppa sin nyttolast i en sur miljö.

Teamet gjorde ihåliga nanopartiklar av kiseldioxid - ett flexibelt biomaterial - fyllde dem med ett vanligt antibiotikum och lade till "dörrar" för att frigöra läkemedlen.

Dessa öppningar styrs av ytterligare korta proteinsekvenser som fungerar som "lås". I normala luftvägs- och lungmiljöer fälls de ihop vid dörren och binder i huvudsak antibiotikan inuti bubblan.

Den lokala surheten släpps ut i lungorna med KOL och ändrar strukturen hos låsproteinet, så att dörrarna öppnas och släpper antibiotika direkt in i slemmet och biofilmen – vilket i huvudsak bryter igenom det bakteriella försvaret och riktar dem mot deras hemmaplan.

Ett test med hopkoket penetrerade en labbodlad biofilm i en petriskål. Det var mycket mer effektivt jämfört med en tidigare typ av nanopartiklar, till stor del eftersom bärarens dörrar öppnades en gång inuti biofilmen - i andra nanopartiklar förblev antibiotikan instängd.

Bärarna kan också gräva djupare in i infekterade områden. Celler har elektriska laddningar. Bäraren och slemmet har båda negativa laddningar, som - som liknande laddade ändar av två magneter - trycker bärarna djupare in i och genom slem- och biofilmlagren.

Längs vägen ändrar surheten i slemmet långsamt bärarens laddning till positiv, så att en gång förbi biofilmen öppnas "låsmekanismen" och släpper ut medicin.

Teamet testade också nanopartikelns förmåga att utplåna bakterier. I en maträtt raderade de ut flera vanliga typer av smittsamma bakterier och förstörde deras biofilmer. Behandlingen verkade relativt säker. Tester i mänskliga fosterlungceller i en skål fann minimala tecken på toxicitet.

Överraskande nog kan bäraren i sig också förstöra bakterier. Inuti en sur miljö bröt dess positiva laddning ner bakteriemembran. Som sprängda ballonger släppte insekterna genetiskt material till sin omgivning, som bäraren sopade upp.

Dämpa elden

Bakterieinfektioner i lungorna lockar till sig överaktiva immunceller, vilket leder till svullnad. Blodkärl som omger luftsäckar blir också permeabla, vilket gör det lättare för farliga molekyler att ta sig igenom. Dessa förändringar orsakar inflammation, vilket gör det svårt att andas.

I en musmodell av KOL lugnade den inhalerbara nanopartikelbehandlingen det överaktiva immunförsvaret. Flera typer av immunceller återgick till en hälsosam aktiveringsnivå - vilket gjorde att mössen kunde byta från en starkt inflammatorisk profil till en som bekämpar infektioner och inflammation.

Möss som behandlats med den inhalerbara nanopartikeln hade cirka 98 procent färre bakterier i sina lungor, jämfört med de som fick samma antibiotikum utan bäraren.

Att utplåna bakterier gav mössen en lättnadens suck. De andades lättare. Deras syrenivåer i blodet steg och blodets surhetsgrad – ett tecken på farligt lågt syrehalt – återgick till det normala.

Under mikroskopet återställde behandlade lungor normala strukturer, med kraftigare luftsäckar som långsamt återhämtade sig från KOL-skador. De behandlade mössen hade också mindre svullnad i lungorna från vätskeansamling som vanligtvis ses vid lungskador.

Resultaten, även om de är lovande, är endast för en rökningsrelaterad KOL-modell hos möss. Det finns fortfarande mycket vi inte vet om behandlingens långsiktiga konsekvenser.

Även om det för närvarande inte fanns några tecken på biverkningar, är det möjligt att nanopartiklarna kan ackumuleras inuti lungorna med tiden och så småningom orsaka skada. Och även om bäraren i sig skadar bakteriemembranen, bygger terapin mest på det inkapslade antibiotikumet. Med antibiotikaresistens på uppgång, vissa läkemedel tappar redan effekt för KOL.

Sedan finns det risk för mekaniska skador med tiden. Att upprepade gånger andas in kiselbaserade nanopartiklar kan orsaka lungärrbildning på lång sikt. Så medan nanopartiklar kan ändra strategier för KOL-hantering, är det klart att vi behöver uppföljningsstudier, skrev teamet.

Image Credit: kristalljus / Shutterstock.com

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2024/02/12/an-antibiotic-you-inhale-can-deliver-medication-deep-into-the-lungs/