В новой стратегии, разработанной исследователями Пенсильванского университета, был использован более изощренный подход. Вместо того, чтобы просто наносить антибиотик на зубы, они воспользовались pH-чувствительными и ферментативными свойствами железосодержащих наночастиц, чтобы катализировать активность перекиси водорода, обычно используемого природного антисептика. Активированная перекись водорода продуцировала свободные радикалы, которые были способны одновременно разрушать матрицу биопленки и убивать бактерии внутри, значительно уменьшая зубной налет и предотвращая кариес или кариес на животной модели.«Даже при очень низкой концентрации перекиси водорода этот процесс был невероятно эффективным в разрушении биопленки», — сказал Хюн (Мишель) Ку, профессор кафедры ортодонтии и отделений детской стоматологии, сообщества и стоматологии Пенсильванской школы стоматологии.
Health и старший автор исследования, которое было опубликовано в журнале Biomaterials. «Добавление наночастиц увеличило эффективность уничтожения бактерий более чем в 5000 раз».Ведущим автором статьи была Лизенг Гао, научный сотрудник лаборатории Ку.
Соавторами были Юань Лю, Донгёп Ким, Йонг Ли и Гилсу Хван, все сотрудники лаборатории Ку, а также Дэвид Кормод, доцент радиологии и биоинженерии с назначениями в Медицинскую школу Перельмана Пенна, Школу инженерии и прикладных наук, а также Пратап. К. Наха, научный сотрудник лаборатории Кормода.
Работа основана на плодотворном открытии Гао и его коллег, опубликованном в 2007 году в журнале Nature Nanotechnology, показывающем, что наночастицы, долгое время считавшиеся биологически и химически инертными, на самом деле могут обладать ферментативными свойствами. В этом исследовании Гао показал, что наночастица оксида железа ведет себя аналогично пероксидазе, ферменту, который обнаружен естественным образом, который катализирует окислительные реакции, часто с использованием перекиси водорода.Когда Гао пришел в лабораторию Ку в 2013 году, он предложил использовать эти наночастицы для перорального применения, поскольку при окислении перекиси водорода образуются свободные радикалы, которые могут убивать бактерии.
«Когда он впервые представил его мне, я был очень скептически настроен, — сказал Ку, — потому что эти свободные радикалы также могут повредить здоровые ткани. Но затем он опроверг это и сказал мне, что это другое, потому что активность наночастиц зависит от pH. "Гао обнаружил, что наночастицы не обладают каталитической активностью при нейтральном или близком к нейтральному pH 6,5 или 7, физиологические значения, обычно обнаруживаемые в крови или во рту. Но когда pH был кислым, ближе к 5, они становятся очень активными и могут быстро производить свободные радикалы.
Этот сценарий был идеальным для нацеливания на бляшки, которые могут создавать кислую микросреду при воздействии сахаров.Гао и Ку обратились к Кормоду, у которого был опыт работы с наночастицами оксида железа в контексте радиологической визуализации, чтобы помочь им синтезировать, охарактеризовать и протестировать эффективность наночастиц, некоторые формы которых уже одобрены FDA для визуализации у людей.Начиная с исследований in vitro, которые включали выращивание биопленки, содержащей бактерии, вызывающие кариес, Streptococcus mutans, на поверхности, похожей на зубную эмаль, а затем воздействие на нее сахара, исследователи подтвердили, что наночастицы, прилипшие к биопленке, сохраняются даже после лечения. остановился и мог эффективно катализировать перекись водорода в кислых условиях.
Они также показали, что реакция наночастиц с 1-процентным или менее раствором перекиси водорода была замечательно эффективна при уничтожении бактерий, уничтожая более 99,9 процентов S. mutans в биопленке в течение пяти минут, что более чем в 5000 раз превышает эффективность используя только перекись водорода.
Еще более многообещающим было то, что они продемонстрировали, что схема лечения, включающая 30-секундную местную обработку наночастиц с последующей 30-секундной обработкой перекисью водорода, может разрушить компоненты матрицы биопленки, по существу удаляя защитный липкий каркас.Переходя к модели на животных, они нанесли наночастицы и перекись водорода местно на зубы крыс, у которых может развиться кариес при заражении S. mutans, как и у людей. Курс лечения два раза в день по одной минуте в течение трех недель значительно снизил начало и тяжесть кариозных поражений, клинический термин, обозначающий кариес, по сравнению с контролем или лечением только перекисью водорода.
Исследователи не наблюдали отрицательного воздействия на десны или мягкие ткани полости рта от лечения.«Это очень многообещающе», — сказал Ку. «Эффективность и токсичность необходимо подтвердить в клинических исследованиях, но я думаю, что потенциал есть».
Среди привлекательных особенностей платформы — относительно недорогие компоненты.«Если вы посмотрите на количество, которое вам понадобится для одной дозы, вы увидите что-то около 5 миллиграммов», — сказал Кормод. «Это крошечное количество материала, и наночастицы довольно легко синтезировать, поэтому мы говорим о стоимости в центах за дозу».
Кроме того, платформа использует концентрацию перекиси водорода в 1 процент, что ниже, чем у многих доступных в настоящее время систем отбеливания зубов, в которых используются концентрации от 3 до 10 процентов, что сводит к минимуму вероятность негативных побочных эффектов.Заглядывая вперед, Гао, Ку, Кормод и его коллеги надеются продолжить совершенствование и повышение эффективности платформы наночастиц для борьбы с биопленками.
«Мы изучаем роль покрытий из наночастиц, их состав, размер и т. Д., Чтобы мы могли сконструировать частицы для достижения еще лучших характеристик», — сказал Кормод.