Antimikrobiální nanomateriály, zejména nanočástice stříbra, vzbuzují v posledních letech značná očekávání jako možný nástroj v boji s rostoucí odolností bakterií vůči antibiotikům. Donedávna převládal názor, že vícestupňový mechanismus účinku nanomateriálů, který v sobě kombinuje fyzikální, chemické i biologické zásahy, znemožňuje bakteriím vytvořit si proti nim účinnou obranu. Vědci z katedry fyzikální chemie přírodovědecké fakulty ale na základě vlastních experimentálních dat i rozsáhlé rešerše zahraničních studií tuto zažitou představu zásadně korigovali a upozornili, že bakterie jsou schopny se systematicky adaptovat i na nanomateriály. Nejde přitom o náhodné nebo přechodné jevy, ale o komplexní soubor obranných strategií, které se opakují napříč různými bakteriálními kmeny i typy nanočástic. Výsledek jejich práce publikoval časopis FEMS Microbiology Reviews.
Impulzem k přehodnocení dosavadního pohledu na účinnost antimikrobiálních nanomateriálů byla kombinace dlouhodobého experimentálního výzkumu a základní biologické úvahy o evoluční schopnosti bakterií. „Na jedné straně stály rozsáhlé poznatky a zkušenosti získané během našeho dlouhodobého výzkumu antibakteriální aktivity nanočástic stříbra, včetně studia bakteriální odolnosti vůči těmto materiálům. Na straně druhé to byla prostá zvědavost a intuitivní úvaha, kterou jsme měli od samého počátku – bakterie se na Zemi vyskytují již miliardy let a dokázaly se adaptovat prakticky na jakékoli nepříznivé prostředí, včetně působení antibiotik, která dnes běžně používáme k léčbě bakteriálních infekcí,“ uvedl Libor Kvítek z katedry fyzikální chemie.
Vědci se proto rozhodli ověřit, zda jsou bakterie schopny podobné adaptace i vůči tak silné antibakteriální látce, jakou jsou nanočástice stříbra, které navíc působí vícestupňovým mechanismem. „Bylo by naivní se domnívat, že nikoli. Vznik zvýšené odolnosti bakterií opakovaně vystavených nanočásticím stříbra jsme proto do jisté míry očekávali. Skutečným překvapením pro nás nebyl samotný fakt adaptace, ale způsob, jakým jej bakterie dokázaly dosáhnout,“ podotkl Aleš Panáček z katedry fyzikálních chemie, podle kterého výsledky ukazují, že vícestupňové působení samo o sobě není zárukou dlouhodobé účinnosti.
„Vznik zvýšené odolnosti bakterií opakovaně vystavených nanočásticím stříbra jsme proto do jisté míry očekávali. Skutečným překvapením pro nás nebyl samotný fakt adaptace, ale způsob, jakým jej bakterie dokázaly dosáhnout.“ Aleš Panáček
První jasné důkazy o cílené adaptaci se objevily při experimentech s opakovanou expozicí bakterií nanočásticím stříbra. Bakterie totiž nalezly překvapivě jednoduchý a velmi účinný obranný mechanismus. Namísto toho, aby bakterie čelily jednotlivým účinkům nanočástic samostatně, dokážou jejich působení neutralizovat jako celek. „Využívají přitom fyzikálně-chemickou slabinu koloidních nanočástic, konkrétně jejich tendenci ke shlukování a destabilizaci. Tento přístup vedl k přelomovým publikacím v časopisech z rodiny Nature, které popsaly dosud neznámé mechanismy adaptace jak u Gram-negativních, tak Gram-pozitivních bakterií. Právě tyto práce se staly základem pro současný přehledový článek, jehož cílem bylo systematicky shrnout poznatky napříč světovou literaturou,“ uvedl Aleš Panáček.
Adaptace, nikoli klasická rezistence
Navzdory rozdílům mezi jednotlivými bakteriemi se opakovaně objevují stejné klíčové adaptační mechanismy. Mezi tyto strategie patří zejména efluxní pumpy zajišťující aktivní vypuzování toxických kovových iontů z buňky či extracelulární bariéry spočívající ve shlukování nanočástic prostřednictvím biofilmu nebo flagelinu, které poté neutralizují nanočástice ještě před jejich průnikem do buňky. Na seznamu adaptačních mechanismů bakterií vůči nanočásticím jsou i strukturální a morfologické změny, například zesílení buněčné stěny nebo změna tvaru buňky. „Tyto procesy dokazují, že adaptace na nanomateriály není pasivní reakcí, ale aktivní a koordinovanou odpovědí buněk,“ řekla Lucie Suchánková z katedry fyzikální chemie.
Zatímco některé obranné principy – například efluxní pumpy či reakce na oxidační stres – jsou společné s antibiotickou rezistencí, jiné mechanismy jsou pro nanomateriály zcela specifické „Bakterie jsou například schopny shlukovat a destabilizovat samotné nanočástice, čímž dochází ke ztrátě jejich antibakteriálního účinku. Právě práce s fyzikálně-chemickými vlastnostmi nanočástic představuje nový rozměr bakteriální adaptace, který u klasických antibiotik neexistuje,“ upozornila Lucie Suchánková.
Závěrem autoři připomněli, že schopnost adaptace je hluboce zakořeněna v evoluční historii bakterií. „Bakterie se na této planetě vyskytují téměř čtyři miliardy let. Lze proto předpokládat, že za takto dlouhé evoluční období přišly přirozeně do kontaktu s celou řadou látek s negativními účinky, s nimiž se musely adaptivně vyrovnat,“ dodal přednosta Ústavu mikrobiologie Lékařské fakulty UP Milan Kolář.
Zda je adaptace na nanočástice stříbra dávno „osvojeným trikem“, nebo relativně novým jevem, ale nadále zůstává otevřenou otázkou. Jisté však je, že vícestupňové působení nanomateriálů samo o sobě není zárukou, že se bakterie nenaučí přežít i v těchto podmínkách. Právě toto poznání je klíčové pro budoucí bezpečné a účinné využití nanomateriálů v medicíně i dalších oblastech.
Odkaz na článek najdete zde.
Autoři přehledového článku upozornili, že u nanomateriálů nelze mechanicky přebírat pojmy známé z antibiotické léčby. Zavedený pojem „rezistence“ nemá u nanomateriálů stejný význam jako v případě antibiotik. Z tohoto důvodu je v souvislosti s nanomateriály vhodnější používat pojem adaptace. Rozdíl mezi dočasnou tolerancí a dlouhodobou adaptací spočívá zejména v délce trvání zvýšené odolnosti a v přítomnosti genetických změn, které umožňují bakteriím přežívat i při opakovaném působení nanočástic.