Povečanje učinkovitosti protimikrobnih snovi z elektroporacijo

Odpornost mikroorganizmov proti uveljavljenim antibiotikom predstavlja vse večjo globalno grožnjo zdravju ljudi, povezano z vse večjimi obolevnostjo, smrtnostjo, dolgotrajnostjo bolnišničnega zdravljenja in stroški zdravstvene oskrbe. Kronične bakterijske bolezni lahko tudi pomembno poslabšajo izid sočasnih virusnih okužb – tudi COVID-19. Zato sta iskanje alternativnih učinkovin in razvoj kombiniranih pristopov z več različnimi principi delovanja in tarčami ključna za boj proti nalezljivim boleznim v »post-antibiotični dobi«. Med najobetavnejšimi metodami za kombinirane pristope je elektroporacija, pri kateri z izpostavitvijo mikroorganizmov kratkim visokonapetostnim pulzom permeabiliziramo njihove membrane in s tem omogočimo vnos snovi – tudi antibiotikov in alternativnih protimikrobnih učinkovin. Elektroporacija je ponovljiva in jo je mogoče optimizirati z izbiro parametrov pulzov, zaradi fizikalne narave njenega osnovnega mehanizma (nastanka por v lipidnem dvosloju membrane) pa mikroorganizmi proti njej ne morejo razviti odpornosti. Dozdajšnje raziskave kombinirane uporabe protimikrobnih učinkovin z elektroporacijo so nakazale povečano inhibicijo mikroorganizmov, a sistematično ovrednotenje tega sinergijskega učinka – kvalitativne in kvantitativne odvisnosti od sestave bakterijske membrane, tipa in tarče protimikrobne snovi ter mehanizma odpornosti – še ni bilo narejeno. To pa je nujno za širše razumevanje in s tem večjo prepoznavnost elektroporacije kot uporabnega pristopa za povečanje protimikrobne učinkovitosti, še posebej pa za varno implementacijo tega pristopa v praksi. V tem projektu bomo sistematično ovrednotili ta sinergijski učinek v odvisnosti od (i) sestave bakterijske ovojnice (Gram-negativne (G–) / Gram-pozitivne (G+) bakterije), (ii) odpornosti / neodpornosti seva, (iii) znotrajcelične tarče protimikrobne snovi, (iv) mehanizma odpornosti bakterij nanjo in (v) primerjave konvencionalnih antibiotikov / alternativnih protimikrobnih učinkovin. Projekt bo sestavljen iz 5 delovnih sklopov s skupaj 12 nalogami, ki bodo dale 9 rezultatov. Najprej se bomo osredotočili na 5 reprezentativnih antibiotikov ter jih preučevali samostojno in v kombinaciji z elektroporacijo na 8 reprezentativnih bakterijah (4 G– in 4 G+), nato pa bomo študijo razširili še na 5 reprezentativnih netoksičnih alternativnih protimikrobnih učinkovin. Ekipa organizacije prijaviteljice (Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani) pod vodstvom prof. dr. Tadeja Kotnika in prof. dr. Damijana Miklavčiča je med svetovno vodilnimi pri raziskovanju elektroporacije membran, ekipi z Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani (vodja izr. prof. dr. Anja Klančnik) in Inštituta Jožef Stefan (vodja viš. znan. sod. dr. Jerica Sabotič) pa imata komplementarna znanja o odpornosti bakterij in alternativnih protimikrobnih učinkovinah, kar zagotavlja ustrezno interdisciplinarnost skupine za uspešno realizacijo vseh ciljev projekta. V predlogu podrobno razčlenimo tudi oceno tveganj projekta ter ukrepe za njihovo odpravo oziroma zmanjšanje. Raziskovalci so že združili svoje moči v manjši študiji (Lovšin et al., Front Microbiol 12:722232, 2021), s katero so pokazali, da je potenciacija pri minimalni inhibitorni koncentraciji močnejša za ampicilin (tarča: sinteza celične stene) kot za ciprofloksacin (podvajanje DNA) in tetraciklin (sinteza proteinov). To izkazuje primernost pristopa in izvedljivost, a tu predlagana širša sistematična študija terja večji obseg dela in namensko financiranje. Rezultati projekta bodo tvorili osnovo za sistematično in učinkovito kombiniranje protimikrobnih učinkovin z elektroporacijo, za inaktivacijo tako Gram-pozitivnih kot Gram-negativnih bakterij pri nižjih koncentracijah antibiotikov (ali celo z netoksičnimi alternativnimi protimikrobnimi učinkovinami) ter pri nižji amplitudi in/ali številu električnih pulzov, z zmanjšanim vplivom na okolje in nižjimi stroški učinkovitega omejevanja bakterij, še posebej v kontaminiranih vodah.