مقاومت آنتی بیوتیکی; مکانیسم نانومواد در از بین بردن مقاومت

استفاده از نانومواد برای مقابله با مقاومت آنتی بیوتیکی

افزایش سریع مقاومت آنتی‌بیوتیکی به یک بحران جهانی سلامت تبدیل شده است لذا توسعه استراتژی‌های نوآورانه برای مبارزه با پاتوژن‌های دارای مقاومت چند دارویی (MDR) را ضروری ساخته است. نانومواد به عنوان ابزارهای امیدوارکننده در این مبارزه ظهور کرده‌اند و خواص منحصر به فردی ارائه می‌دهند که اثربخشی آنتی‌بیوتیک را افزایش می‌دهد، بر مکانیسم‌های مقاومت آنتی بیوتیکی غلبه می‌کند و رویکردهای درمانی جایگزین را فراهم می‌کند. با توسعه فناوری نانو تغییرات زیادی در استراتژی های درمان عفونت های باکتریایی ایجاد شده است. تکنولوژی نانو مواد، راهکارهایی مناسب برای مقابله با عفونت های مرتبط با بیوفیلم و مشکل مقاومت به چند دارو (MDR) ارائه می دهد.   

 این بررسی، استراتژی‌های متنوع مبتنی بر نانومواد مورد استفاده برای مبارزه با مقاومت آنتی‌بیوتیکی را با تمرکز بر مکانیسم‌های عمل و کاربردهای عملی آنها بررسی می‌کند.  نانو موادی مانند نانوذرات فلزی، نانو مواد مبتنی بر کربن و نانوساختارهای پلیمری، خواص ضد باکتریایی دارند. آنها از طریق مسیرهای مختلف، از جمله تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS)، اختلال در غشاهای باکتریایی و افزایش رهاسازی آنتی‌بیوتیک، این خواص را نشان می‌دهند.

علاوه بر این، توانایی نانومواد در دور زدن مکانیسم‌های مقاومت ضد میکروبی، مانند تشکیل بیوفیلم و پمپ‌ های خروج، در مطالعات متعددی نشان داده شده است. این بررسی همچنین اثرات هم‌افزایی مشاهده شده هنگام ترکیب نانومواد با آنتی‌بیوتیک‌های معمولی را مورد بحث قرار می‌دهد که منجر به افزایش حساسیت باکتری ها به آنتی بیوتیک و کاهش دوزهای مورد نیاز داروها می‌شود.

دلایل بروز مقاومت آنتی بیوتیکی

مقاومت آنتی‌بیوتیکی به عنوان توانایی میکروارگانیسم‌ها در مقاومت در برابر اثرات عوامل ضد میکروبی تعریف می‌شود. این مشکل، دهه ‌ها پیشرفت پزشکی را تضعیف کرده و اثربخشی درمان‌ های موجود را تهدید می ‌کند.

طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی (WHO)، پاتوژن‌های مقاوم به چند دارو (MDR) سالانه مسئول مرگ و میر بیش از 700000 انسان هستند و پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که اگر اقدام فوری انجام نشود، این تعداد می‌تواند تا سال 2050 به 10 میلیون نفر افزایش یابد.

اگر بخواهیم انواع مقاومت آنتی بیوتیکی را بررسی کنیم باید آن را به دو بخش مقاومت اکتسابی و مقاومت ذاتی اشاره کنیم. در مقاومت ذاتی یک باکتری به طور طبیعی و به دلیل ویژگی های ژنتیکی، نسبت به برخی دارو های آنتی بیوتیک مقاوم می شود. اما مقاومت اکتسابی در اثر جهش ژنتیکی در باکتری های بیماری زا اتفاق می افتد؛ حتی ممکن است مکانیسم مقاومت دارویی در اثر انتقال ژن های مقاوم از یک باکتری دیگر اتفاق بیفتد.

این پدیده ناشی از ترکیبی از عوامل، از جمله سوء مصرف و استفاده بیش از حد از آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌های بالینی و کشاورزی، اقدامات ناکافی برای کنترل عفونت و توسعه ناکافی و محدود آنتی‌بیوتیک‌های جدید است.

این وضعیت با سازگاری سریع باکتری‌ها تشدید می‌شود و آنها را قادر می‌سازد تا مکانیسم‌های مقاومت پیچیده‌ای مانند تولید آنزیم‌های بتالاکتاماز، تغییر اهداف دارویی و فعال شدن پمپ‌های افلاکس را توسعه دهند.

فراتر از محیط‌های بالینی، مقاومت آنتی‌بیوتیکی تهدید قابل توجهی برای امنیت غذایی جهانی محسوب می‌شود، زیرا پاتوژن‌های مقاوم به طور فزاینده‌ای بر صنایع صنایع پرورش دام و آبزیان تاثیر گذار است.

محدودیت‌های آنتی‌بیوتیک‌های مرسوم

آنتی‌بیوتیک‌های مرسوم، که زمانی سنگ بنای پزشکی مدرن محسوب می‌شدند، امروزه در برابر پاتوژن‌های مقاوم بی‌اثر هستند. آنتی‌بیوتیک‌های سنتی، فرآیندهای خاص مانند سنتز دیواره سلولی، تولید پروتئین یا تکثیر DNA را هدف قرار می‌دهند.

با این حال، پدیده انتقال افقی ژن، گسترش ژن‌های مقاومت را در بین جمعیت‌های باکتریایی تشدید می‌کند و باعث می شود بسیاری از آنتی‌بیوتیک‌های خط اول و حتی خط آخر منسوخ شوند.

یکی دیگر از محدودیت‌های قابل توجه آنتی‌بیوتیک‌های مرسوم، ناتوانی آنها در نفوذ به بیوفیلم‌ها است. بیوفیلم‌ها، که معمولاً با عفونت‌های مزمن مرتبط هستند، در مقایسه با باکتری‌های پلانکتونی، تا 1000 برابر مقاومت بیشتری در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها نشان می‌دهند.

ظهور نانومواد به عنوان راه‌حل‌های بالقوه

نانومواد به عنوان یک پیشنهاد امیدوارکننده در مبارزه با مقاومت آنتی‌بیوتیکی ظهور کرده‌اند و راه‌حل‌های نوآورانه‌ای را ارائه می‌دهند که محدودیت‌های موجود در درمان‌های مرسوم را برطرف می‌کنند.

نانومواد که به عنوان موادی با ابعاد کمتر از 100 نانومتر تعریف می‌شوند، دارای خواص منحصر به فردی هستند و  نانومواد را قادر می‌سازد تا اثربخشی آنتی‌بیوتیک‌های موجود را افزایش دهند، مکانیسم‌های مقاومت را دور بزنند و روش‌های ضد باکتریایی جدیدی را معرفی کنند.

یکی از مکانیسم‌های اصلی که نانومواد از طریق آن با عفونت‌های باکتریایی مبارزه می‌کنند، از طریق تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) است. نانوذرات مبتنی بر فلز، مانند نقره، اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم، استرس اکسیداتیو را در سلول‌های باکتری ها القا می‌کنند و منجر به آسیب غشاها، پروتئین‌ها و DNA می‌شوند.

مکانیسم‌های مقاومت چند دارویی (MDR)

مکانیسم‌های رایج در باکتری‌های دارای مقاومت چندگانه (MDR) به 3 دسته تقسیم می شوند:

1. تشکیل بیوفیلم (Biofilm)

2. پمپ‌های افلاکس (ٍEfflux pump)

3. تخریب آنزیمی آنتی‌بیوتیک‌ها

انواع نانو مواد مورد استفاده برای اهداف ضد باکتریایی

نانومواد، که با ابعاد نانومتری (1-100 نانومتر) تعریف می‌شوند، دارای خواص منحصر به ‌فردی هستند که به فعالیت قوی ضد باکتریایی آنها کمک می‌کنند.

در بخش زیر انواع نانوذرات را بررسی می کنیم:
نانوذرات مبتنی بر فلز

نانوذرات فلزی (MNPs) به دلیل اثربخشی گسترده و مکانیسم‌های چندگانه عملکرد، از جمله پرکاربردترین نانو مواد برای کاربردهای ضد باکتریایی هستند.

• نانو ذرات نقره (AgNPs):

نانوذرات نقره به دلیل توانایی‌شان در تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS)، اختلال در غشای باکتریایی و آزادسازی یون‌های نقره که فرآیندهای متابولیکی باکتری‌ها را مختل می‌کنند، به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

• نانوذرات اکسید روی (ZnO NPs):

این نانوذرات از طریق ترکیبی از تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS)، اختلال در غشا و برهم‌کنش‌های یونی فعالیت ضدباکتریایی نشان می‌دهند. آنها به ویژه تحت نور UV فعال می‌شوند که تولید ROS فتوکاتالیستی را تقویت می‌کند. فتوکاتالیز (Photocatalysis) یک فرایند شیمیایی است که در آن یک کاتالیزور با استفاده از نور، واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کند.

• سایر نانوذرات فلزی:

نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂)، اکسید مس (CuO) و اکسید منیزیم (MgO) نیز پتانسیل ضد باکتریایی دارند. به عنوان مثال، نانوذرات تیتانیوم به عنوان فتوکاتالیست عمل کرده و تحت نور UV، ROS تولید می‌کنند که غشاها و DNA باکتری‌ها را مختل می‌کند.

نانو مواد مبتنی بر کربن

نانومواد مبتنی بر کربن (CBNs) به دلیل ساختار منحصر به ‌فرد، خواص الکتریکی و زیست‌ سازگاری، پتانسیل قابل‌توجهی در کاربردهای ضد باکتریایی دارند.

• گرافن و اکسید گرافن (GO):

 گرافن و مشتق آن، گرافن اکسید (GO)، دارای خواص ضد باکتریایی قوی هستند. گرافن اکسید ساختاری بسیار نازک و تیز دارد. این ساختار می‌تواند مثل یک تیغ عمل کند و به غشای سلولی باکتری‌ها آسیب بزند. این آسیب باعث نشت سیتوپلاسم شده که در نتیجه موجب مرگ باکتری می گردد. 

گرافن اکسید می‌تواند گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) تولید کند که برای سلول باکتری سمی هستند و باعث ایجاد اختلال در متابولیسم طبیعی باکتری ها می شود. این مواد به پروتئین‌ها، DNA و سایر ساختارهای سلولی آسیب می‌زنند و در نهایت متابولیسم طبیعی باکتری را مختل می‌کنند.

برخی گرافن های اصلاح شده، می‌توانند به عنوان حامل آنتی‌بیوتیک‌ها عمل کند و پایداری و تحویل هدفمند آنها را بهبود بخشد. این گرافن می‌تواند آنتی‌بیوتیک‌ها را با خود حمل کند و در عین حال که آن‌ها را در برابر تجزیه محافظت می کند، مستقیم آن ها را به محل هدف (مثلاً ناحیه آلوده) برساند.

• نانو لوله‌های کربنی (CNTs):

این نانو لوله ها یا نانوساختارها می‌توانند با آسیب به دیواره بیرونی باکتری‌ها و ایجاد استرس اکسیداتیو، باکتری‌ها را از بین ببرند. اگر روی این نانو لوله‌ها، مواد ضد میکروبی مانند پپتیدها یا آنتی‌بیوتیک‌ها قرار داده شود، اثر درمانی آن‌ها قوی‌تر می‌شود.

راه درمان مقاومت آنتی بیوتیکی

برای درمان عفونت هایی که به دارو های خاصی مقاومت نشان می دهند؛ معمولا از داروهای قوی تر یا دارو های جدید استفاده می کنند.

اما توسعه داروی های آنتی بیوتیک جدید امری دشوار است زیرا به آزمایش های بالینی پیچیده و پرهزینه احتیاج دارد و با توجه به سرعت بالای ایجاد مقاومت در باکتری ها ممکن است داروی کشف شده در مدت کوتاهی بی اثر شود.

 تولید کلاس جدیدی از آنتی بیوتیک ها نیاز به تحقیق و بررسی فراوان دارد. آخرین آنتی‌بیوتیک جدیدی که اوائل امسال (سال 2025)  کشف شده لاریوسیدین (lariocidin) است که توسط پژوهشگران دانشگاه مک مستر (McMaster) کانادا شناسایی شده است. این دارو برای اولین بار پس از تقریباً ۳۰ سال، امید به وارد شدن یک کلاس جدید از آنتی‌بیوتیک‌ها به عرصه درمان را برانگیخته است. لاریوسیدین (Lariocidin)  فعالیت قوی علیه باکتری‌های مقاوم به درمان دارد و سمیت کمی برای سلول‌های انسانی نشان می‌دهد.

با توجه به اینکه از بین بردن مقاومت آنتی بیوتیکی به یک چالش جهانی تبدیل شده و پیش بینی می شود تا سال 2050، باعث مرگ سالانه 10 میلیون انسان شود؛ به یک راهکار اساسی برای از بین بردن مقاومت دارویی در انسان ها و حیوانات نیاز داریم.

استفاده از ترکیبات گیاهی به جای به کار گیری داروی های آنتی بیوتیک شیمیایی در دام و طیور به صورت بی رویه و خودسرانه؛ می تواند کمک زیادی به کاهش این معضل بکند. چرا که امکان انتقال مقاومت ضد میکروبی از طریق گوشت، شیر و تخم مرغ طیور به انسان زیاد است.

استفاده از داروهای گیاهی نظیر آنتی بیوتیک گیاهی آریوبیوتیک (Ariobiotic) که خاصیت ضد باکتری دارند برای مبارزه با عفونت های باکتریایی طیور توصیه می شود، چرا که با اثر سریع و مقاومت پایین می تواند به عنوان یک ضد باکتری طبیعی برای مبارزه با باکتری هایی نظیر اشرشیا کلی (E. Coli) و استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus) عمل کند.

برای اطلاعات بیشتر راجع به آنتی بیوتیک گیاهی مرغ آریوبیوتیک کلیک کنید.