Gel kích hoạt bằng tia X tiêu diệt nhiễm trùng sâu trong mô mà không cần kháng sinh

Một loại gel tiêm được kích hoạt bởi tia X liều thấp có khả năng tạo ra tác dụng kháng khuẩn kéo dài trong các mô sâu bằng cách tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS), mang đến một chiến lược không dùng kháng sinh cho các bệnh nhiễm trùng khó điều trị.
Y học hiện đại vẫn chưa có phương pháp đáng tin cậy nào để loại bỏ hoàn toàn một ổ nhiễm trùng vi khuẩn khi nó đã ăn sâu vào trong mô và được che chắn khỏi hệ tuần hoàn. Những bệnh nhiễm trùng này thường xuất hiện sau phẫu thuật, chấn thương hoặc tổn thương bên trong. Chúng tồn tại dai dẳng không phải vì vi khuẩn có khả năng kháng thuốc cao, mà vì các loại thuốc không thể tiếp cận đến vị trí nhiễm trùng với nồng độ đủ hiệu quả. Việc đưa thuốc tại chỗ không ổn định, trong khi hệ miễn dịch cũng khó tiếp cận. Các ổ áp xe và màng sinh học (biofilm) bị nhiễm trùng có thể tồn tại trong một môi trường được bảo vệ, đòi hỏi phải phẫu thuật cắt bỏ hoặc điều trị liên tục. Một số bệnh nhiễm trùng không bao giờ được giải quyết triệt để.
Đây không phải là một thất bại hiếm gặp. Nó phản ánh một hạn chế mang tính cấu trúc trong cách thức cung cấp các liệu pháp kháng khuẩn. Mối nguy hiểm càng gia tăng khi tình trạng kháng kháng sinh trở nên phổ biến hơn. Trong nhiều trường hợp, ngay cả những vi khuẩn về mặt lý thuyết vẫn nhạy cảm với điều trị cũng sẽ tồn tại nếu thuốc không đến được với chúng. Vấn đề cốt lõi nằm ở khả năng kiểm soát không gian. Vẫn chưa có cách nào đáng tin cậy để kích hoạt một hiệu ứng kháng khuẩn mạnh mẽ và khu trú bên trong mô sống mà không làm hại các tế bào xung quanh.
Các nỗ lực giải quyết vấn đề này đã tạo ra một loạt các chiến lược thử nghiệm. Các nhà nghiên cứu đã khám phá các phương pháp dựa trên nhiệt, siêu âm, kích thích điện và ánh sáng. Đặc biệt, các liệu pháp kích hoạt bằng ánh sáng đã cho thấy nhiều hứa hẹn vì chúng có thể tạo ra các hiệu ứng hóa học khu trú cao bằng cách sử dụng các hợp chất vốn không hoạt động cho đến khi được tiếp xúc với năng lượng từ bên ngoài.
Tuy nhiên, ánh sáng nhìn thấy và cận hồng ngoại không thể xuyên qua mô sâu hơn vài milimet. Tia X thì có thể, nhưng hầu hết các hệ thống phản ứng với tia X lại ngừng hoạt động ngay khi nguồn bức xạ tắt, đòi hỏi liều lượng cao, hoặc có thiết kế phức tạp khó áp dụng trong lâm sàng.
Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials mô tả một nền tảng vật liệu được thiết kế để vượt qua những giới hạn này.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại gel có thể tiêm, kết hợp khả năng phản ứng với tia X và tính bền hóa học. Sau khi được kích hoạt bằng một liều tia X thấp, vật liệu này sẽ tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS) để tiêu diệt vi khuẩn thông qua stress oxy hóa. Quan trọng là, các hiệu ứng này vẫn tiếp tục sau khi nguồn bức xạ đã được tắt đi, mở ra một phương pháp nhắm mục tiêu vào các ổ nhiễm trùng trong các vùng mô mà thuốc hoặc ánh sáng không thể tiếp cận.
Hệ thống này được xây dựng từ hai thành phần chính:
1. Strontium aluminate phosphor được pha tạp với europium và dysprosium. Chất này phát ra ánh sáng nhìn thấy khi tiếp xúc với tia X và tiếp tục phát sáng trong nhiều giờ sau đó. Đặc tính này, được gọi là phát quang bền bỉ, cung cấp một nguồn sáng nội tại mà không cần kích hoạt liên tục từ bên ngoài.
2. Acridine orange, một phân tử tạo ra oxy singlet khi tiếp xúc với ánh sáng nhìn thấy. Oxy singlet là một dạng oxy phản ứng mạnh, có khả năng phá hủy màng tế bào, protein và DNA của vi khuẩn.
Hai vật liệu này được nhúng trong một hydrogel sodium alginate tương thích sinh học, giúp giữ chúng ổn định tại vị trí mục tiêu. Khi gel tiếp xúc với tia X, nhiều quá trình xảy ra đồng thời. Strontium aluminate trực tiếp tạo ra superoxide, gốc hydroxyl và hydro peroxide. Đồng thời, nó phát ra ánh sáng để kích hoạt acridine orange, từ đó tạo ra oxy singlet. Ngay cả sau khi tắt tia X, vật liệu vẫn tiếp tục phát sáng, cho phép acridine orange duy trì hoạt tính hóa học. Kết quả là một "cơn bão" các loại oxy phản ứng được giải phóng bền bỉ thông qua nhiều cơ chế chồng chéo.
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy hệ thống này có hiệu quả chống lại cả Staphylococcus aureus và Escherichia coli, hai mầm bệnh phổ biến và quan trọng trên lâm sàng. Chỉ sau 8 phút tiếp xúc với tia X, tỷ lệ sống sót của vi khuẩn đã giảm hơn 99%.
Phương pháp điều trị tương tự cũng phá vỡ hơn 90% các màng sinh học đã hình thành từ trước, vốn rất khó bị xuyên thủng bởi kháng sinh. Kính hiển vi cho thấy các tế bào được điều trị bị tổn thương màng và sụp đổ cấu trúc nghiêm trọng.
Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm hệ thống này trên mô lợn. Gel được đặt dưới lớp mô cơ dày 1,5 cm, với vi khuẩn ở phía đối diện. Ngay cả khi xuyên qua độ sâu này, tia X vẫn kích hoạt được gel và giảm số lượng vi khuẩn gần 99%, khẳng định khả năng hoạt động trong điều kiện mà liệu pháp ánh sáng thất bại.
Để ứng dụng trên cơ thể sống, các nhà nghiên cứu đã thay thế gel sodium alginate bằng Pluronic F127, một loại polymer nhạy cảm với nhiệt độ, ở dạng lỏng trong nhiệt độ phòng nhưng sẽ đông đặc lại ở nhiệt độ cơ thể. Điều này cho phép vật liệu được tiêm vào dưới dạng lỏng và giữ lại tại vị trí nhiễm trùng sau khi hóa gel.
Trong một mô hình áp xe cơ sâu ở chuột, một mũi tiêm duy nhất sau đó chiếu tia X đã làm giảm đáng kể tải lượng vi khuẩn và kích thước ổ áp xe mà không có bằng chứng gây hại cho các cơ quan xung quanh.
Nền tảng này cũng được kiểm tra về tính tương thích sinh học và cho thấy độc tính thấp, ổn định qua nhiều chu kỳ kích hoạt và giữ được tính toàn vẹn cấu trúc trong vài ngày.
Bước tiến quan trọng của nghiên cứu này không chỉ là khả năng tiêu diệt vi khuẩn bằng hóa học kích hoạt bằng tia X, mà là thiết kế một hệ thống kết hợp phản ứng hóa học trực tiếp, phát sáng nội tại và kích hoạt kéo dài trong một vật liệu duy nhất có thể tiêm được. Việc sử dụng nhiều loại oxy phản ứng làm tăng phạm vi tấn công và giảm khả năng sống sót của vi khuẩn, đồng thời ít có khả năng gây ra tình trạng kháng thuốc.
Mặc dù hệ thống chưa được thử nghiệm trên người, nó đại diện cho một sự thay đổi trong cách điều trị kháng khuẩn tại chỗ. Thay vì dựa vào việc giải phóng thuốc liên tục, nó sử dụng vật liệu để chuyển đổi năng lượng vật lý thành hành động hóa học bền bỉ bên trong mô. Nghiên cứu này mở ra một con đường mới để điều trị các bệnh nhiễm trùng ở những nơi mà y học hiện tại chưa thể tiếp cận.