prof. Ing. František Štěpánek, Ph.D.

Nositel Neuron Impulsu za rok 2013

Zápal plic, spála nebo zánět středního ucha – nemoci, se kterými si dnes lékaři díky antibiotikům běžně poradí. V budoucnu ale mohou opět znamenat ohrožení života, a lidstvo se tak vrátí do doby před objevem penicilinu. František Štěpánek ale otevírá novou éru přírodních antibiotik, na které nevzniká rezistence.

Neuron Stories – nahlédněte do laboratoří českých vědců

Antibiotika nejsou dnes předepisována pouze lidem, ale jsou preventivně podávána např. skotu, a člověk je tak nepřímo konzumuje i prostřednictvím mléka a masa. V různých formách pak v životním prostředí přetrvávají i řadu let. Bakterie se tak s nimi setkávají stále častěji, přizpůsobují se a stávají se vůči nim odolnými. Již dnes známe rezistentní bakteriální kmeny, na které neexistuje účinný lék.

Výzkumná skupina profesora Štěpánka využívá k potlačení a ničení bakterií látku alicin, kterou lze získat z běžného česneku. Alicin vzniká při poškození buněk česneku reakcí enzymu alinázy a molekul aliinu, a má silný antibiotický účinek. Ale pouze po dobu několika hodin – tato nestabilita je přitom velmi žádoucí, protože se bakterie nestačí adaptovat. Doposud byl ale problém v tom, jak alicin dostat do místa nákazy včas.

Inovativnost metody prof. Štěpánka se skrývá v izolování složek alicinu a jejich efektivním transportu do lidského těla až k místu nákazy. Alináza a aliin se uloží do miniaturních nosičů z tuků a cukrů, a směs nosičů se umístí do běžné tablety, která se v těle rozpustí a schránky se při kontaktu s vodou stanou propustnými. Vlivem opačných nábojů se látky přitáhnou a začnou spolu reagovat přímo v našem těle. Alicin, velmi účinné antibiotikum, tak vznikne přímo v těle. Na rozdíl od tradičních antibiotik je ale nestabilní alicin v lidském těle přítomen pouze několik hodin a bakterie, které jeho útok přežijí, nemají dost času se adaptovat a stát se vůči němu rezistentní. Tato unikátní metoda by se mohla využívat nejen k boji s vnitřními nákazami, ale i k léčbě kožních a vaginálních infekcí. Její aplikace a komerční využití by měla umožnit i patentová přihláška, která je nyní v jednání. Možná se tak otevírá nová éra přírodních antibiotik, na které nevzniká rezistence.

Neuron Stories – poslechněte si příběhy českých vědců

Česnek, budoucí zbraň proti bakteriím

Infekční nemoci vzdorují běžným antibiotikům stále dokonaleji. Podle analýzy World Economic Forum (Global Risks Report 2013) je odolnost nebezpečných mikroorganismů považována za jednu z nejvážnějších hrozeb pro lidstvo. Novou zbraň na odolné bakterie připravuje profesor František Štěpánek z Vysoké školy chemicko-technologické v Praze. V roce 2013 získal na svůj výzkum téměř jeden milion korun od Nadačního fondu Neuron. Nyní bilancuje dosavadní výsledky.

Zbraní profesora Štěpánka je účinná látka z česneku zvaná alicin. V laboratorních podmínkách dokáže zahubit až polovinu známé populace nebezpečných bakterií. Výtažek z česneku zabírá lépe než běžná antibiotika. Jak je to možné? Účinné látky v antibioticích jsou vytvořeny ze stabilních molekul, takže mizivé množství jich zůstává řadu let v lidském těle i v životním prostředí. Bakterie si na tyto účinné látky zvyknou a postupně vzdorují antibiotikům stále lépe. Zato molekuly alicinu vydrží v těle pouze několik hodin. Během této doby buď bakterie zahubí, nebo se laicky řečeno rozpadnou. Mikroorganismy tedy nedostanou šanci přivyknout si na alicin a nemají ani čas vytvořit generaci odolnou vůči této látce.

Bitva s bakteriemi, které velí profesor Štěpánek, začíná vysláním chemického robota. Jde o shluk molekul z tuku a cukru, který pluje krevním řečištěm až k místu postiženému infekcí. Taková oblast má většinou jiné chemické prostředí než zdravá tkáň. Jakmile látka uložená na povrchu robota tento rozdíl pozná, začne samotná likvidace bakterií. Robot obsahuje dvě sady mikročástic. V jedné je substrát, ze kterého chemickou přeměnou vznikne alicin. Druhá sada obsahuje enzym, jehož působením na substrát se vytvoří alicin. Ten se musí uvolňovat v potřebném množství a požadovanou rychlostí. Proto je nezbytné nastavit správný poměr obou typů mikročástic. To se týmu profesora Štěpánka po nějaké době podařilo a tak otestoval alicin na vybraných buněčných kulturách. Pokusy prokázaly, že se molekuly alicinu přimknou na povrch bakterií a v podobě tzv. reaktivních radikálů velmi bouřlivě reagují. Bakterie se v takovém prostředí cítí ohroženy a spáchají sebevraždu.

Štěpánkův tým rovněž studoval rychlost, s jakou se přeměňují mikročástice uložené v chemickém robotovi na alicin. Vědci na základě poznatků z této etapy výzkumu určili, jak dlouho lze v okolí mikročástic očekávat přitomnost účinné látky v aktivní formě. Vytvořili také matematický model, který umožňuje tento čas predikovat i pro jiné než experimentálně studované rozsahy koncentrací.

Společně s kolegy z Imperial College London čeští vědci proměřili sorpční vlastnosti obou typů mikročástic a rychlost jejich shlukování za sucha i v roztoku. Poznatky prezentovali na mezinárodní konferenci ve Velké Británii. Výsledky základního výzkumu publikovaly zahraniční odborné časopisy.

Poznatky Štěpánkova týmu by se perspektivně mohly využívat zejména na léčbu kožních, vaginálních a plicních infekcí. Ovšem testy a schvalování bude trvat řadu let. V současné době se připravuje patentová přihláška, která by měla umožnit komerční využití nově vyvinuté technologie.

~ rozhovor s Františkem Štěpánkem ~

Jakou podobu má vaše „armáda“?
Použiji chemické miniroboty. Na místě zasaženém bakteriemi a ohroženém infekcí vypustí účinnou látku získanou z česneku.

Proč právě z česneku?
Tato plodina obsahuje látku zvanou alicin. V odborném tisku z přelomu tisíciletí jsou popsány pokusy, které prokázaly její schopnost léčit infekční choroby.

A proč nevyužijete například zázvor? Ten také prokazatelně zabíjí bakterie.
Česnek je v našich zeměpisných šířkách přece jen dostupnější. A rovněž rozhodl fakt, že máme už vypracované analýzy pro sledování účinnosti alicinu v buněčných kulturách. Pro zázvor bychom je museli teprve vypracovat.

Jaké bakterie dokáže alicin zlikvidovat?
Laboratorně je prokázáno, že umí zahubit polovinu známé populace mikroorganismů.

Proč je výtažek z česneku v boji s bakteriemi úspěšnější než antibiotika?
Účinné látky používané v běžných antibiotikách mají stabilní molekuly. To znamená, že mizivé množství těchto látek zůstává po řadu let v lidském těle a také v životním prostředí. Bakterie si na ně zvyknou a postupně se vyselektují rezistentní kmeny. Ovšem molekuly alicinu, látky získané z česneku, vydrží v těle jen několik hodin. Buď během této doby zahubí bakterie v místě infekce, nebo se laicky řečeno rozpadnou. Bakterie tedy přítomnost alicinu buď nepřežijí, nebo nedostanou šanci přivyknout si na jeho přítomnost a vytvořit generaci odolnou vůči této látce.

Jak chemické miniroboty v boji s bakteriemi fungují?
Minirobot pluje v tepnách a žílách až ho krev dopraví na místo postižené infekcí. Taková oblast má většinou jiné chemické prostředí než zdravá tkáň. Jakmile tento rozdíl rozpozná látka uložená na povrchu robota, je to signál ke spuštění reakce, při které vznikne alicin. Jeho molekuly se přimknou na povrch bakterií a začnou velmi bouřlivě reagovat. Takovému útoku nedokážou bakterie vzdorovat. Předpokládám, že chemických minirobotů popluje v krevním systému stovky milionů.

Nebudou se postupně hromadit v těle pacienta?
Takové riziko nehrozí, protože miniroboty jsou sestaveny z tuků a cukrů a ty dokáže lidský organismus rozložit na jednoduché látky a spotřebovat.

Na léčbu jakých nemocí se budou miniroboti využívat?
Zejména na kožní, vaginální a plicní infekce. Ale předpokládám, že se uplatní také při desinfekci operačních sálů, pokojů, chirurgických nástrojů a další zdravotnické techniky.

Miniroboti už jsou hotoví?
Ano, před pěti lety jsem dostal grant od Evropské výzkumné rady. Díky tomu jsme vybrali a vyzkoušeli materiály na tvorbu robotů, vytvořili jsme prototypy a ověřili jejich spolehlivost.

Kdy lze očekávat využití minirobotů v medicíně?
Pokud budou mít podobu léku, tak testy a schvalování potrvá řádově desítky let. Když se budou aplikovat jako potravinový doplněk s přírodní látkou, je schvalovací režim jednodušší. A jako desinfekční prostředek pro nemocnice by se mohly využívat během několika měsíců po dokončení našeho dvouletého projektu, na který jsme získali peníze od Nadačního fondu Neuron.

Napsali o něm: