"Uccidi i batteri e guarisci la ferita allo stesso tempo": le nanotecnologie emergenti potrebbero rappresentare il futuro della guarigione delle ferite. / 'You kill the bacteria and heal the wound at the same time': Emerging nanotech could be the future of wound healing

"Uccidi i batteri e guarisci la ferita allo stesso tempo": le nanotecnologie emergenti potrebbero rappresentare il futuro della guarigione delle ferite. / 'You kill the bacteria and heal the wound at the same time': Emerging nanotech could be the future of wound healing

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il futuro della guarigione potrebbe essere su scala nanometrica. I nanomateriali attivati ​​dalla luce, che rilasciano composti nocivi solo quando e dove necessario, possono contribuire a debellare le infezioni delle ferite prevenendo al contempo danni ai tessuti sani. In questo studio, topi con infezioni delle ferite resistenti agli antibiotici sono stati trattati con un idrogel che rilascia lisozima, una proteina antibatterica, solo se attivato dalla luce. Le loro ferite sono guarite più rapidamente rispetto a quelle dei topi non trattati o trattati solo con lisozima. / The future of healing could be nano-scale. Light-activated nanomaterials that release noxious compounds only when and where they are needed can help eradicate wound infections while preventing damage to unaffected tissues. Here, mice with antibiotic-resistant wound infections were treated with a hydrogel that releases lysozyme, an antibacterial protein, only when activated by light. Their wounds healed more quickly than those of mice left untreated or treated with lysozyme alone.

Le lesioni a lenta guarigione, comuni nei diabetici e nelle vittime di ustioni, possono portare ad infezioni persistenti resistenti al trattamento antibiotico. Un nuovo approccio che utilizza terapie attivate dalla luce potrebbe offrire una soluzione.

Per la maggior parte delle persone, un piccolo taglio od una sbucciatura non sono un grosso problema: il corpo guarisce da solo rapidamente e gli antibiotici possono debellare eventuali infezioni. Tuttavia, alcune ferite, come le ustioni gravi e le ulcere diabetiche, sono soggette ad infezioni batteriche che possono sviluppare resistenza agli antibiotici.

"Le ulcere diabetiche sono molto difficili da guarire e le persone convivono con queste ferite praticamente per tutta la vita", afferma Vitaliy Khutoryanskiy, scienziato dei materiali presso l'Università di Reading nel Regno Unito.

Per affrontare questo problema, gli scienziati stanno sviluppando nuovi metodi per trattare le ferite infette utilizzando nanomateriali appositamente progettati, attivati ​​dalla luce ed in grado di esercitare un'azione antimicrobica precisa. Questo approccio si è dimostrato promettente nel ridurre le infezioni ed accelerare la guarigione delle ferite in esperimenti condotti su topi e maiali, ma non è ancora stato testato sull'uomo.

Le ferite croniche che non guariscono offrono le condizioni ideali per la formazione di biofilm resistenti, che ritardano la cicatrizzazione ed aumentano significativamente il rischio di amputazione. La stragrande maggioranza di queste ferite – oltre il 78% – presenta questi strati ostinati di batteri, spesso resistenti agli antibiotici.

I nuovi nanomateriali attivati ​​dalla luce offrono un modo diverso per debellare le infezioni batteriche, convertendo la luce in calore localizzato o reagendo con l'ossigeno presente nei tessuti per produrre molecole tossiche che uccidono i batteri con danni minimi al tessuto circostante.

La nostra pelle è in grado di assorbire naturalmente piccole quantità di radiazioni, ma con l'aiuto di nanomateriali appositamente progettati, afferma Zhenpeng Qin, scienziato dei materiali presso l'Università del Texas a Dallas, "è possibile riscaldare il tessuto ad una temperatura più elevata". Il calore indebolisce i batteri e favorisce la riparazione dei tessuti. Qin, coautore di uno studio su questa tecnica pubblicato nel 2024 sull'Annual Review of Biomedical Engineering, osserva che terapie simili, attivate dalla luce, sono state utilizzate per veicolare tossine e colpire specifici tumori della pelle e dell'esofago, ma non sono state ancora ampiamente applicate alla cura delle ferite.

In uno studio promettente sulle ferite, Raffaele Mezzenga, scienziato dei materiali dell'ETH di Zurigo, ed i suoi colleghi sono partiti da una proteina antimicrobica naturale chiamata lisozima, estratta dall'albume d'uovo. Hanno modificato la proteina trasformandola in un gel miscelato con un colorante che assorbe la luce. In presenza di luce nel vicino infrarosso, il colorante si riscalda, sciogliendo il gel e rilasciando il lisozima attivo. Quando la luce viene spenta es il materiale si raffredda, il lisozima ritorna alla sua forma inattiva.

Quando il gruppo ha applicato il gel su ferite di topi e maiali, ha scoperto che eliminava oltre il 95% dei batteri presenti. Le ferite guarivano anche più velocemente, perché il lisozima, tossico anche per le cellule sane, si attivava nella ferita solo quando irradiata con la luce, proteggendo la pelle dalla sovraesposizione. Per accelerare ulteriormente la guarigione, il gruppo ha aggiunto ioni di magnesio al gel, che stimolano le cellule immunitarie chiamate macrofagi a passare da uno stato infiammatorio ad uno che promuove la guarigione. "La guarigione sarà molto più rapida perché si uccidono i batteri e si cura la ferita contemporaneamente", afferma Mezzenga.

Poiché i biofilm batterici sono particolarmente persistenti sulle superfici degli impianti medici, dove possono causare infezioni ricorrenti e talvolta richiedere ripetuti interventi chirurgici o persino amputazioni, il gruppo ha testato il proprio gel anche su protesi articolari infette nei topi. Hanno iniettato il gel attorno ad un ago impiantato infetto e hanno irradiato la pelle con luce nel vicino infrarosso. Il trattamento ha eliminato i biofilm e sradicato circa il 99% dei batteri attorno all'impianto, preservando al contempo il tessuto osseo.

In un altro studio recente, gli scienziati della Gannan Medical University e della Shanghai University in Cina hanno trattato le ferite utilizzando un nanomateriale composto da nanoparticelle d'oro e "punti quantici" di ossido di grafene, ovvero minuscole particelle semiconduttrici a base di carbonio. Quando irradiate con luce blu, le particelle d'oro assorbono l'energia luminosa e la convertono in calore, mentre l'ossido di grafene favorisce il trasferimento di elettroni attraverso il materiale. Questo processo accelera le reazioni che producono molecole tossiche ed instabili, chiamate specie reattive dell'ossigeno, le quali reagiscono con le strutture delle membrane batteriche distruggendole.

Quando gli scienziati hanno aggiunto questo materiale ad una soluzione batterica e l'hanno illuminata con luce blu per 10 minuti, il lieve calore e le specie reattive dell'ossigeno hanno agito in sinergia provocando la disintegrazione delle membrane batteriche. Utilizzando una colorazione in grado di distinguere i batteri vivi da quelli morti, i ricercatori hanno confermato che il trattamento aveva ucciso il 97% dei batteri.

I test effettuati sui topi hanno rivelato che, dopo nove giorni, le ferite dei topi trattati mostravano una guarigione del 99%, mentre quelle dei topi non trattati mostravano una guarigione di solo il 70% circa.

Sebbene queste tecniche si siano dimostrate promettenti in laboratorio, saranno necessari ulteriori studi prima che possano essere applicate all'uomo. "C'è ancora molta strada da fare", afferma Lars Kaestner , biologo dell'Università della Saarland in Germania. Per essere utili in ambito clinico, osserva, i ricercatori dovrebbero effettuare test di sicurezza approfonditi e ridurre il costo dei nanomateriali.

Tuttavia, l'idea offre speranza ai pazienti con ferite croniche che non guariscono con gli antibiotici convenzionali, soprattutto considerando la crescente diffusione di infezioni resistenti ai farmaci negli ospedali e nella cura del diabete.

"È un'ottima idea", afferma Qin. "La guarigione delle ferite e la resistenza agli antibiotici sono sfide enormi. E credo che qualsiasi progresso in questi ambiti sarebbe benvenuto."

ENGLISH

Slow-healing lesions — common in diabetics and burn victims — can lead to lingering infections that resist antibiotic treatment. A new approach using light-activated therapies may offer a solution.

For most people, a minor cut or scrape is no big deal — the body heals itself quickly, and antibiotics can deal with any infections. But some wounds, such as severe burns and diabetic ulcers, are prone to bacterial infections that can become resistant to antibiotics.

"Diabetic wounds are very difficult to heal and people live with these wounds for pretty much the rest of their life," says Vitaliy Khutoryanskiy, a materials scientist at the University of Reading in the United Kingdom.

To address this problem, scientists are developing new ways to treat infected wounds using specially designed nanomaterials that are activated with light and deliver precise antimicrobial action. The approach has shown promise in reducing infection and accelerating wound healing in experiments on mice and pigs but has not yet been tested in people.

Chronic, non-healing wounds offer ideal conditions for the formation of resilient biofilms, which delay healing and significantly raise the risk of amputation. The vast majority of such wounds — over 78 percent — have these stubborn layers of bacteria, which are often antibiotic-resistant.

The new light-activated nanomaterials offer a different way to eradicate bacterial infections, by converting light into localized heat, or by reacting with oxygen present in the tissues to produce toxic molecules that kill bacteria with minimal damage to the surrounding tissue.

Our skin can naturally absorb tiny amounts of radiation but with the help of specially designed nanomaterials, says Zhenpeng Qin, a materials scientist at the University of Texas at Dallas, "you can heat the tissue to a higher temperature." The heat weakens the bacteria and helps with tissue repair. Qin, who coauthored an exploration of the technique in the 2024 Annual Review of Biomedical Engineering, notes that similar, light-triggered therapies have been used to deliver toxins to target certain skin and esophageal cancers, but they have not been applied extensively to wound care

In one promising study with wounds, Raffaele Mezzenga, a materials scientist from ETH Zurich, and his colleagues began with a naturally occurring antimicrobial protein called lysozyme, which was extracted from egg whites. They engineered the protein into a gel mixed with a light-absorbing dye. In the presence of near-infrared light, the dye heats up, melting the gel and releasing active lysozyme. When the light is turned off and the material cools, the lysozyme reverts to its inactive form.

When the team applied the gel to wounds in mice and pigs, they found it eradicated more than 95 percent of the bacteria present. The wounds also healed more quickly, because the lysozyme — which is toxic for healthy cells, too — was activated in the wound only when irradiated with light, saving the skin from overexposure. To boost healing still further, the team added magnesium ions to the gel, which prime immune cells called macrophages to shift from an inflammatory state to one that promotes healing. "The healing will be much faster because you kill the bacteria and heal the wound at the same time," says Mezzenga.

Since bacterial biofilms are especially persistent on the surfaces of medical implants — where they can cause recurring infections and sometimes require repeated surgeries or even amputations — the team also tested their gel on infected prosthetic joints in mice. They injected the gel around an infected implanted needle and shone near-infrared light through the skin. The treatment cleared biofilms and eradicated about 99 percent of bacteria around the implant, while preserving bone tissue.

In another recent study, scientists from Gannan Medical University and Shanghai University in China treated wounds using a nanomaterial made of gold nanoparticles and graphene-oxide "quantum dots," which are tiny, carbon-based semiconducting particles. When irradiated with blue light, the gold particles absorb the light energy and convert it into heat, while graphene oxide helps to transfer electrons across the material. This boosts reactions that produce toxic, unstable molecules called reactive oxygen species that react with structures on bacterial membranes and destroy them.

When the scientists added this material to a bacterial solution and shone blue light on it for 10 minutes, the mild heat and reactive oxygen species worked together to cause bacterial membranes to disintegrate. Using a stain that distinguished dead from living bacteria, the researchers confirmed that the treatment had killed 97 percent of the bacteria.

Testing the nanomaterial in mice revealed that after nine days, the wounds on treated mice showed 99 percent healing, while those of untreated mice showed only about 70 percent healing.

While these techniques have shown promise in the lab, further work will be needed before they can be applied to people. "There is still some way to go," says Lars Kaestner, a biologist at Saarland University in Germany. To be useful in a clinical setting, he notes, researchers would need to do extensive safety testing and lower the cost of the nanomaterials.

Nevertheless, the idea provides hope for patients with chronic wounds that fail to heal with conventional antibiotics, particularly as drug-resistant infections become more common in hospitals and diabetic care.

"It's a good concept," says Qin. "Wound healing and antibacterial resistance are very big challenges. And I think any advance that we can make in these areas would be welcome."

Da:

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