Для борьбы с бактериальными инфекциями используются антибиотики — с их помощью лечат заболевания у людей и животных, разрабатывают препараты и вакцины, защищают урожай у деревьев и растений, а также продлевают срок хранения продуктов. Однако частое применение антибиотиков приводит к антибиотикорезистентности — бактерии становятся устойчивыми к этому виду профилактики, и он перестает быть эффективным.
Одной из альтернатив антибиотикам могут стать наночастицы на основе серебра, золота, оксида цинка или оксида меди. У технологии есть плюсы и минусы: наночастицы способны подавлять рост устойчивых к антибиотикам бактерий и уничтожать инфекцию, но при этом они разрушают полезные микроорганизмы, важные для пищеварения и иммунной системы.
Традиционный метод синтеза и тестирования наноматериалов отнимает много времени и сил и не позволяет определить селективную токсичность наночастиц — способность уничтожать только вредные бактерии, не затрагивая полезные. Это связано с тем, что пока неизвестно, как связаны параметры наночастиц (форма, размер и состав) и их свойство селективной токсичности.
Ученые химико-биологического кластера ИТМО первыми в мире использовали инструменты искусственного интеллекта и машинного обучения для создания платформы по поиску селективно токсичных наночастиц для борьбы с патогенными бактериями.
«Мы создали скрининговую платформу для определения наночастиц, которые избирательно нацеливаются на вредоносные бактерии, например, вызывающие пневмонию, убивают их и при этом оставляют невредимыми полезные микроорганизмы. Такой подход будет полезен в лечении всех инфекций, устойчивых к антибиотикам, и может стать новым способом для борьбы с заболеваниями, с которыми не справляются существующие антибиотики. Эти наночастицы можно использовать как в медицине, так и в сельском хозяйстве — они смогут защитить урожай и скот от устойчивых патогенных инфекций», — объясняет первый автор статьи, аспирант третьего курса химико-биологического кластера SCAMT Университета ИТМО Сусан Джьякхво.
Сусан Джьякхво. Фото из личного архива автора
Для создания скрининговой платформы ученые ИТМО собрали базу данных объемом около 2000 образцов, описанных в более 70 научных статьях. База данных включила физико-химические свойства наночастиц, биохимические параметры бактерий и итоги проведенных экспериментов. Всю информацию проанализировали с помощью машинного обучения и разработанного генетического алгоритма. Последний основан на принципах естественного отбора и генетики — выбираются наночастицы, скрещиваются их параметры, такие как размер, форма и состав, и отбираются наиболее оптимальные варианты. За секунду генетический алгоритм провел скрининг более 500 образцов, из которых самых подходящие проверяют в лабораторных экспериментах.
С помощью разработанной платформы исследователи установили, что наночастицы на основе оксида меди избирательно уничтожают бактерии золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus), а наночастицы из оксида цинка — бактерии клебсиеллы пневмонии (Klebsiella pneumoniae). При этом оба наноматериала оставляют нетронутой непатогенную сенную палочку (Bacillus subtilis).
Селективно антимикробные наночастицы. Схема предоставлена учеными
В перспективе ученые ИТМО планируют отобрать селективно токсичные наночастицы, которые могут сочетаться с антибиотиками и увеличат их клиническую эффективность в борьбе с инфекциями. Помимо создания лекарств, избирательные наноматериалы потенциально можно использовать в диагностике заболеваний и разработке тестов и биосенсоров. В перспективе эта разработка сможет повысить скорость и точность определения патогенных бактерий как в клинических образцах пациентов, так и пищевых продуктах. Но для этого ученым еще предстоит проверить токсичность и иммуногенность (способность вызывать иммунный ответ организма) селективных наночастиц к клеткам человека в in vitro и in vivo тестированиях.
Исследование выполнено в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030».
