Каждый год 700 000 человек умирают из-за устойчивости к антибиотикам. К сожалению, растущее население планеты порождает растущую устойчивость к установленным методам лечения антибиотиками; угроза, которая была встречена с недостаточным финансированием и истощением вдохновения, поскольку коммерческие стимулы для разработки новых антибиотиков упали. Новое исследование, проведенное исследователями из Brigham and Women’s Hospital, одного из основателей системы здравоохранения Mass General Brigham, направлено на решение этой растущей проблемы разработки антибиотиков с использованием нового междисциплинарного подхода к созданию надежной компьютерной библиотеки антибиотиков и определить эффективный антибиотик для целевого применения в матрице костного цемента. Этот подход потенциально может быть использован для лечения инфекций костей, частого осложнения после хирургических ортопедических вмешательств.Природная биомедицинская инженерия .

«В настоящее время Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрило только костные цементы, содержащие антибиотики , которые изначально не были разработаны для костной ткани», — сказал Хэ Линь Джанг, доктор философии, содиректор Центра инженерной терапии Бригама и главный исследователь Лаборатория разработки перспективных биоматериалов и биотехнологий. «Помимо того, что эти антибиотики не специфичны для костной ткани, к ним возникла резистентность. Мы должны создать новое поколение антибиотиков, оптимизированных для удовлетворения этой растущей потребности».

Эта растущая борьба с устойчивостью к антибиотикам сочетается с таким же растущим старением населения, которому теперь требуется больше ортопедических процедур, чем когда-либо. Обычные процедуры, такие как замена коленного и тазобедренного суставов, могут привести к бактериальной инфекции, такой как стафилококковая инфекция, которую в настоящее время лечат системными антибиотиками. Системное воздействие антибиотиков не нацелено точно на инфекцию; поэтому необходимы огромные дозы, что приводит к непредвиденным последствиям лекарственной устойчивости и уничтожению полезной микробиоты. Чтобы решить эту растущую проблему, сотрудничающие исследователи из Департамента медицины Бригама и Департамента ортопедической хирургии стремились создать локально доставляемую и эффективную комбинацию антибиотика и костного цемента.

Для разработки нового антибиотика для специфической местной доставки через матрицу костного цемента был использован полиметилметакрилатный (ПММА) костный цемент; принятый FDA золотой стандарт. Команда отобрала молекулы для разработки антибиотиков и провела скрининг на наличие чувствительных и устойчивых к лекарствам бактерий в доклинической модели. Наконец, команда сравнила клинически используемый костный цемент ПММА и новый нагруженный антибиотиками костный цемент ПММА, используя профилактическую и стафилококково -инфицированную модель повреждения большеберцовой кости.

Исследователи определили антибиотик двойного действия VCD-077, изучая его активность и эффективность в клетках и на животных моделях. VCD-077 не только продемонстрировал желаемую кинетику высвобождения лекарственного средства, не влияя на стабильность костного цемента из ПММА, но также продемонстрировал высокую эффективность против широкого спектра цепочек устойчивых к лекарственным средствам бактерий и замедлил развитие резистентности в будущем. Фактически, костный цемент из полиметилметакрилата, содержащий VCD-077, продемонстрировал более высокую эффективность, чем все используемые в настоящее время костные цементы, содержащие антибиотики, против стафилококковых инфекций кости на крысиной модели.

Перед клиническим применением команда должна столкнуться с двумя основными ограничениями: потенциальными различиями между изучаемой моделью крысы и людьми и необходимыми исследованиями токсичности. Но исследователи отмечают, что у тканеспецифического локального лечения, такого как минимально инвазивная инъекция костного цемента с антибиотиками, большое будущее. Сосредоточение внимания на тканеспецифичности на этапе разработки и взаимодействии между лекарством и устройством может помочь разработать методы лечения, которые работают точно, не сохраняя лекарственную устойчивость. Кроме того, новое применение компьютерной инженерии для поиска молекул и оптимизации дизайна антибиотиков имело огромный успех, что свидетельствует о потенциале компьютерного программирования и технологии искусственного интеллекта для оптимизации разработки лекарств.

Будущее заключается в объединении искусственного интеллекта и открытия лекарств, чтобы сделать разработку новых антибиотиков более эффективной и рентабельной, чем когда-либо прежде. Междисциплинарный подход в нашем подходе и специфика в разработке лекарств действительно приведут к новой парадигме медицинской инженерии».

Шиладитья Сенгупта, доктор философии, соавтор, содиректор Центра инженерной терапии Бригама

Джанг сказал: «Лечение может усложняться, и бактерии могут становиться все более изощренными, но и мы, биомедицинские инженеры, тоже становимся все более изощренными».