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抗生素已被证明是对抗感染的有效武器，但其普及也成为了其衰落的原因。尽管这些药物从内部削弱有害微生物，但幸存下来的细菌往往会产生耐药性，使其变得更加危险。为了应对这种情况，由加利福尼亚州圣何塞IBM Research–Almaden和新加坡生物工程与纳米技术研究所领导的一个研究团队正在开发一种技术，该技术利用聚合物基纳米粒子来补充抗生素，破坏细菌的保护膜，确保它们无法再变异。同样重要的是，在完成任务后，这些纳米刺客将在体内无害地生物降解。
耐药性的产生部分原因是环丙沙星和多西环素等传统抗生素不会物理性地破坏微生物的细胞壁。相反，它们以破坏性较小的方式进入目标，然后继续破坏内部的DNA或阻止细胞分裂或触发细胞自毁。然而，在这种攻击中幸存下来的菌株可以进化出防御未来攻击的能力，为更致命的细菌版本打开大门，例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)，这种细菌在2005年（美国疾病控制中心拥有全面数据的最后一年）导致近19,000名美国人死亡。
此外，杀死这种感染所需的高剂量抗生素除了杀死受污染的细胞外，还会不加区分地破坏健康的红细胞。
“抗生素新兴耐药性的整个问题在可预见的未来将成为一个巨大的问题，”领导这项研究的IBM Research高级有机材料科学家詹姆斯·海德里克说，该研究于4月4日发表在自然化学杂志上（《大众科学》是自然出版集团的一部分）。“我认为我们现在已经开始看到它对感染数量、相关死亡和医疗保健成本的影响。”
海德里克和他的同事提出了一种串联方案，部署由聚碳酸酯聚合物制成的可生物降解的纳米结构——可能直接注射到体内或局部应用于治疗皮肤感染——这可能有助于完成抗生素开始的工作。一旦这些直径为200纳米的聚合物与体内或皮肤上的水接触，它们就会自组装成一种新的聚合物结构，旨在靶向细菌感染的细胞并溶解（瓦解）它们的细胞膜和细胞壁。
这些纳米粒子通过每种细胞产生的电荷来区分健康细胞和细菌感染的细胞。“这些细菌膜的[电]荷明显高于健康细胞，”海德里克说。“我们只需调整纳米粒子的电荷，使其选择性地攻击危险的微生物。”
在研究人员的体外测试中，他们确定即使在高于正常剂量水平10倍或更高的水平下，红细胞也不会破裂，马萨诸塞州弗雷明汉咨询公司IDC Health Insights的研究主管艾伦·路易说。路易熟悉这项研究但没有参与，他指出能够“调整”纳米粒子非常重要，这样它们可以在体内停留足够长的时间来完成工作，而不会在内脏器官中积聚。
虽然已经有人提出使用其他纳米材料在体内运输药物或对抗疾病，但海德里克团队正在研究的聚碳酸酯聚合物稍后会被体内的酶分解，因此不太可能积聚。“在很短一段时间后，它们会恢复成一种无害的副产品，分子量非常低，可以很容易地从体内排出，”他补充道。
研究人员的下一步是扩大其纳米粒子可以破坏的细菌类型。目前，它们被调整为攻击所谓的“革兰氏阳性”细菌，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、酵母菌和真菌。海德里克希望创造一种更通用的抗生素盟友，同样可以靶向革兰氏阴性细菌，如大肠杆菌和沙门氏菌。“革兰氏阴性细菌如此棘手的原因在于，包围微生物的膜要复杂得多，”海德里克说。“我们开始了解如何导航和破坏这些膜。”
其他研究领域包括调整纳米粒子的形状（更细长的设计可能更容易在体内导航）和分子量更低但效果相同的材料。
“显然，未来还有大量工作要做，尤其是在验证人体安全性以及确定能够将纳米粒子输送到人体内的适当载体方面，”路易说。然而，除了海德里克概述的方向外，路易还看到了纳米粒子自组装能力的巨大潜力，创造一种未来有一天可以向体内输送药物并在医疗保健中发挥更大作用的结构。