Hydrożel aktywowany światłem w walce z bakteriami opornymi na antybiotyki

Nowatorski hydrożel – materiał o wysokiej zawartości wody – nie tylko eliminuje bakterie, lecz także moduluje odpowiedź zapalną i aktywnie wspiera proces gojenia ran. Działa jak fizyczna sieć wychwytująca drobnoustroje, które następnie są niszczone po aktywacji impulsu świetlnego.

W badaniach przedklinicznych żel wykazał wysoką skuteczność wobec szczepu MRSA opornego na antybiotyki oraz istotnie przyspieszał zamykanie się ran.

Bakteryjne zakażenia odpowiadają globalnie za około 7,7 miliona zgonów rocznie, a narastająca oporność drobnoustrojów na antybiotyki dodatkowo pogłębia problem kliniczny. Szczególnie trudne terapeutycznie są zakażenia ran, które nie tylko opierają się leczeniu, ale również zaburzają procesy naprawcze w otaczających tkankach. Wynika to z utrzymującej się, nieprawidłowo ukierunkowanej odpowiedzi zapalnej, w której układ odpornościowy pozostaje przewlekle aktywowany, uszkadza zdrowe tkanki i hamuje mechanizmy regeneracyjne. Nawet skuteczne wobec patogenu antybiotyki nie są w stanie skorygować tych zaburzeń immunologicznych.

Inspiracja neutrofilowymi sieciami zewnątrzkomórkowymi

Nowe podejście, opracowane przez zespół kierowany przez prof. Raffaele Mezzengę z ETH we współpracy z badaczami z Shanghai University, zostało opisane na łamach Nature Communications.

Inspiracją dla opracowania materiału były neutrofilowe sieci zewnątrzkomórkowe (NETs, Neutrophil Extracellular Traps) – białkowe struktury uwalniane przez komórki układu odpornościowego w celu wychwytywania i neutralizacji patogenów. NETs działają jak naturalne „sieci”, ograniczając szerzenie się zakażenia w organizmie.

Dotychczasowe próby syntetycznego odtworzenia takich struktur napotykały jednak ograniczenia – stosowane materiały bywały niestabilne, niewystarczająco biokompatybilne lub nieskuteczne wobec szczepów opornych.

Enzym przeciwbakteryjny aktywowany światłem podczerwonym

W przeciwieństwie do wielu wcześniejszych koncepcji syntetycznych, opracowany system opiera się na naturalnych białkach. Hydrożel wytwarzany jest z białka jaja kurzego i tworzy gęstą sieć nanowłókien zbudowanych z lizozymu – enzymu przeciwbakteryjnego naturalnie występującego w organizmie człowieka. W tej postaci lizozym pozostaje nieaktywny biologicznie.

Nałożony na ranę żel działa jak fizyczna bariera, wychwytując obecne w niej bakterie. Kluczowym etapem jest jednak kontrolowana aktywacja enzymu. Po ekspozycji na światło z zakresu bliskiej podczerwieni – metodę mało inwazyjną i dobrze tolerowaną – dochodzi do ogrzania wbudowanej w strukturę żelu cząsteczki barwnika. Generowane ciepło prowadzi do przejściowego rozluźnienia części sieci włókien i uwolnienia cząsteczek lizozymu.

W uwolnionej formie lizozym odzyskuje aktywność biologiczną, atakując ściany komórkowe bakterii i prowadząc do ich lizy.

Od przewlekłego zapalenia do regeneracji

Równolegle z aktywacją przeciwbakteryjną hydrożel uwalnia jony magnezu. Nie wykazują one bezpośredniego działania bakteriobójczego, lecz modulują odpowiedź immunologiczną. Dochodzi do przeprogramowania prozapalnych komórek odpornościowych w kierunku fenotypu regeneracyjnego. Zamiast podtrzymywać stan zapalny, komórki te wspierają procesy naprawy tkanek i angiogenezy.

Po zakończeniu impulsu świetlnego włókna białkowe ponownie tworzą stabilną sieć. Materiał odzyskuje właściwości rusztowania, zapewniając mechaniczne wsparcie dla komórek i sprzyjając dalszej regeneracji.

Kluczową cechą hydrożelu jest zatem odwracalność struktury włókien – zdolność do kontrolowanego otwierania i ponownego zamykania sieci. Technologia ta łączy w jednym systemie działanie przeciwbakteryjne, immunomodulacyjne oraz proregeneracyjne. Może to mieć szczególne znaczenie kliniczne u pacjentów z cukrzycą i przewlekłymi owrzodzeniami, a także w przypadkach zakażeń wywołanych przez szczepy oporne na antybiotyki.

Skuteczność w modelach przedklinicznych

Hydrożel został przetestowany w modelach zwierzęcych – u myszy i świń. W modelu mysiego zakażenia rany szczepem MRSA odnotowano redukcję obciążenia bakteryjnego o ponad 95%. Rana leczona hydrożelem ulegała niemal całkowitemu zamknięciu w ciągu 15 dni, podczas gdy w grupie kontrolnej proces gojenia był wyraźnie opóźniony.

W modelu świńskim również zaobserwowano przyspieszone gojenie oraz istotnie mniejszą kolonizację bakteryjną. Materiał sprzyjał ponadto tworzeniu korzystnego mikrośrodowiska dla regeneracji kości i tkanek miękkich.

Hydrożel aplikowany jest bezpośrednio na ranę i pozostaje w niej w trakcie całego procesu gojenia. Stopniowo wnika w tkankę i ulega biodegradacji równolegle z postępem regeneracji.

Przed wdrożeniem klinicznym konieczne są jednak badania z udziałem ludzi. Planowanym kolejnym etapem są badania kliniczne realizowane we współpracy z partnerami przemysłowymi i ośrodkami klinicznymi.

Źródło: Nature Communications, Photo-reversible amyloid nanoNETs for regenerative antimicrobial therapies
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65976-6