Jak leczyć skutecznie, nie niszcząc przy tym całego organizmu? To jedno z kluczowych pytań, przed którymi stoi dziś medycyna. Odpowiedzią staje się nowoczesna nanotechnologia, a konkretnie rozwój metod pozwalających precyzyjnie dostarczać substancje lecznicze dokładnie tam, gdzie są potrzebne. Polscy badacze pod kierunkiem dr hab. Kamili Sadowskiej z Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN, we współpracy z naukowcami z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Gdańskiej oraz Uniwersytetu Medycznego w Lublinie, opracowali rozwiązanie, które może odmienić losy osób cierpiących na osteomyelitis - ciężkie zapalenie kości i szpiku.

Niewidzialny wróg wewnątrz kości

Zapalenie kości i szpiku (osteomyelitis) uznawane jest przez lekarzy za jedną z najtrudniejszych do wyleczenia chorób zakaźnych. Choroba rozwija się najczęściej w wyniku infekcji bakteryjnej, wywołanej przez pałeczkę ropy błękitnej lub gronkowca złocistego. Choć może dotknąć każdego, grupami szczególnego ryzyka są pacjenci po urazach, zabiegach chirurgicznych oraz dzieci poniżej 13. roku życia. W najcięższych przypadkach postępująca infekcja prowadzi do martwicy kości, co u dzieci skutkuje zaburzeniami wzrostu i przewlekłymi deformacjami, a u dorosłych może zakończyć się koniecznością amputacji kończyny.

Dowiedz się więcej:

Seniorzy łamią się w ciszy. Trzy czwarte osób nie zna diagnozy

Głównym problemem w leczeniu tej choroby jest jej specyficzna lokalizacja. Kość w obszarze infekcji jest zazwyczaj bardzo słabo ukrwiona, co sprawia, że antybiotyki podawane tradycyjnymi drogami - doustnie lub dożylnie - docierają tam w niewystarczających ilościach. Bakterie potrafią "ukryć się" w biofilmach, które stanowią barierę niemal nie do przebicia zarówno dla leków, jak i dla naturalnej odpowiedzi immunologicznej organizmu.

Kto powinien uważać?

Choć urazy są częstą przyczyną zapalenia kości, patogeny mogą przeniknąć do szpiku wieloma innymi drogami, o których rzadko się wspomina. Bakterie potrafią podróżować wraz z krwią z zupełnie innych części ciała - punktem wyjścia infekcji może być nawet zapalenie płuc lub zakażenie dróg moczowych. Szczególną ostrożność powinny zachować osoby palące tytoń oraz pacjenci zmagający się z chorobami przewlekłymi. Przykładowo, źle kontrolowana cukrzyca, szczególnie gdy towarzyszą jej owrzodzenia stóp, drastycznie zwiększa ryzyko zakażenia kości w tej części ciała.

Również specyficzne schorzenia układu krwionośnego, takie jak choroba tętnic obwodowych czy niedokrwistość sierpowatokrwinkowa - która zmienia kształt krwinek i spowalnia przepływ krwi - tworzą warunki sprzyjające rozwojowi bakterii w tkance kostnej. Na baczności muszą się mieć także pacjenci poddawani dializom, u których rurki medyczne mogą stać się kanałem dla drobnoustrojów, oraz osoby z odleżynami, gdyż długotrwały ucisk może doprowadzić do zainfekowania kości leżącej bezpośrednio pod raną.

Dowiedz się więcej:

Polski implant dla chorych na osteoporozę. Przełomowy i ekologiczny

Co istotne, objawy nie zawsze są oczywiste. O ile dorośli zazwyczaj odczuwają ból, gorączkę, zmęczenie i zauważają obrzęk w miejscu infekcji, o tyle u niemowląt czy osób starszych symptomy mogą być niespecyficzne lub w ogóle nie wystąpić, co utrudnia szybką diagnozę. Specjaliści ostrzegają, że zlekceważenie narastającego bólu kości może prowadzić do septycznego zapalenia stawów. Warto zatem dbać o higienę nawet drobnych skaleczeń i ran po ugryzieniach zwierząt, by nie stały się one furtką dla bakterii.

Cena tradycyjnej terapii

Obecnie walka z osteomyelitis wymaga wielotygodniowego przyjmowania silnych antybiotyków, takich jak cyprofloksacyna czy wankomycyna. Aby osiągnąć jakiekolwiek stężenie terapeutyczne wewnątrz twardej i słabo unaczynionej kości, lekarze muszą stosować bardzo wysokie dawki podawane dożylnie lub doustnie. To z kolei wiąże się z ogromnym obciążeniem dla całego organizmu pacjenta.

- Kiedy antybiotyk podaje się ogólnoustrojowo, np. dożylnie lub doustnie, rozprowadza się on w całym organizmie, oddziałując również na zdrowe tkanki. W przypadku zapalenia kości i szpiku uzyskanie terapeutycznego stężenia leku w miejscu infekcji często wymaga wysokich dawek i długotrwałej terapii, co zwiększa ryzyko działań niepożądanych - wyjaśnia dr hab. Kamila Sadowska, prof. IBIB PAN.

Dowiedz się więcej:

"W imię miłości" do ortopedy. Te operacje są coraz bardziej popularne

Do najpoważniejszych skutków ubocznych takiej kuracji należą trwałe uszkodzenia nerek i wątroby oraz groźne zaburzenia hematologiczne. Dlatego naukowcy poszukiwali sposobu, by podać lek "wprost do celu", omijając zdrowe narządy i ograniczając ogólnoustrojową toksyczność.

Polska innowacja: nanokwiaty

Rozwiązaniem okazały się nanostruktury o niezwykłym kształcie, które badacze nazwali "nanokwiatami". Mają one postać hybrydową, łączącą świat organiczny z nieorganicznym, co upodabnia je do naturalnej tkanki kostnej. Taki dobór składników nie jest przypadkowy, ponieważ sama kość również ma budowę hybrydową, co zwiększa powinowactwo nośnika do tkanek pacjenta.

- Nasze nanokwiaty są zbudowane z dwóch komponentów: organicznego, którym jest białko, w tym przypadku - albumina surowicy bydlęcej (BSA), i nieorganicznego - zwykle fosforanów metali - tłumaczy dr Sadowska.

Dowiedz się więcej:

Sztuczna inteligencja pomaga w leczeniu dzieci z dysplazją stawu biodrowego

Fakty

Choć obecnie w badaniach laboratoryjnych wykorzystuje się albuminę bydlęcą, w przyszłości naukowcy planują zastosowanie kolagenu lub białka surowicy ludzkiej, które naturalnie występują w organizmach ssaków. Początkowo do tworzenia tych struktur używano miedzi, jednak okazała się ona zbyt toksyczna w wyższych stężeniach. Kolejnym krokiem było zastosowanie hydroksyapatytu (fosforanu wapnia), będącego naturalnym budulcem kości, ale ostatecznie zespół skupił się na fosforanie cynku. Ten pierwiastek najchętniej tworzy stabilne i wydajne kompleksy z białkami, co jest niezbędne do masowego zastosowania technologii w rzeczywistych warunkach medycznych.

Jak powstaje mikroskopijny kwiat?

Proces tworzenia tych struktur zachodzi w wyniku tzw. samoorganizacji. Do roztworu białka w buforze fosforanowym dodaje się wodny roztwór soli wybranego metalu. Wtedy jony metalu i cząsteczki białka zaczynają spontanicznie łączyć się ze sobą w wyniku wzajemnych oddziaływań. Formują się pierwsze niewielkie "zarodki krystalizacji", które stopniowo rozrastają się, tworząc charakterystyczne układy zbudowane z wielu drobnych płatków.

W te mikroskopijne "płatki" naukowcy z powodzeniem wbudowali cząsteczki antybiotyku - cyprofloksacyny. Analizy laboratoryjne potwierdziły, że cząsteczki leku skutecznie zintegrowały się ze strukturą nośnika. Testy przeprowadzone in vitro oraz na modelach zwierzęcych wykazały, że tak podany lek skutecznie hamuje wzrost patogennych bakterii, wykazując jednocześnie niski poziom toksyczności i dobrą tolerancję przez komórki organizmu. Oznacza to, że opracowany system może stanowić bezpieczną platformę do miejscowego dostarczania leków.

Szansa na regenerację i uniknięcie operacji

Zastosowanie nanokwiatów niesie ze sobą podwójną korzyść. Po pierwsze, pozwalają one na drastyczne zmniejszenie dawek antybiotyków podawanych ogólnoustrojowo, ograniczając ryzyko powikłań. Po drugie, same w sobie stanowią "rusztowanie" wspomagające odbudowę kości. W opinii dr Sadowskiej to podejście jest szczególnie istotne w sytuacjach, gdy infekcja jest bardzo rozległa i obejmuje nawet jedną trzecią objętości kości. Tradycyjnie takie przypadki wymagają inwazyjnego, chirurgicznego usunięcia zainfekowanego szpiku, co pozostawia po sobie ubytek w tkance.

Dowiedz się więcej:

"Tworzą się dodatkowe kości". FOP zamienia ciało w klatkę

- Wczesne podanie antybiotyku w miejscu zakażenia pozwala skutecznie niszczyć bakterie, a wbudowana w nanokwiaty struktura organiczno-mineralna jednocześnie wspomaga regenerację tkanki kostnej i przyspiesza proces gojenia. Zwiększa to szansę na skuteczne leczenie i ogranicza konieczność inwazyjnych zabiegów - podkreśla badaczka.

Dzięki polskiemu odkryciu pacjenci z ciężkim zapaleniem kości mogą zyskać system, który nie tylko precyzyjnie uderza w źródło infekcji, ale też natychmiastowo pomaga organizmowi w naprawie zniszczeń. To kolejny dowód na to, że nowoczesna polska nauka potrafi tworzyć rozwiązania ratujące zdrowie i życie w sytuacjach, w których tradycyjna medycyna bywa bezradna.

Opracowała Agata Daniluk/pwojc