По данным ВОЗ, по меньшей мере 700 тысяч человек ежегодно умирают от болезней, вызванных устойчивыми к лекарствам патогенами, в том числе 230 тысяч — от туберкулеза с множественной лекарственной устойчивостью.
Как «умные» поверхности и материалы могут помочь в борьбе с инфекциями и проблемой устойчивости возбудителей к противомикробным препаратам? В связи с растущей угрозой антибиотикорезистентности исследователи Института молекулярной науки и инженерии Имперского колледжа Лондона занимаются поиском новых решений.
Загрязненные поверхности и медицинские приборы способствуют передаче инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи, и распространению устойчивости к противомикробным препаратам. Биопленки (сообщества микробов и немикробных веществ на поверхностях) способствуют выживанию и сохранению патогенов, защищая их от воздействия биоцидов и антибиотиков и играя ведущую роль в поддержании активности нескольких путей заражения, включая инфекции, связанные с медицинским оборудованием и хирургически имплантируемыми протезами (например, тазобедренные и коленные суставы) и передающиеся через воду (например, заражение больничных систем водоснабжения Pseudomonas и Legionella).
Эти пути все чаще признаются значимыми в передаче патогенов, которые могут увеличивать микробную устойчивость. Исследование, опубликованное в журнале Public Health England (на основе более 48 тысяч историй болезни), показало, что 6,6 % пациентов заразились именно в больницах.
Джеральд Ларуа-Момю, доцент факультета наук о жизни Имперского колледжа Лондона:
Если мы ничего не предпримем, то к 2050-му число ежегодных смертей от устойчивости к противомикробным препаратам достигнет 10 млн.
Одно из решений включает в себя использование антимикробных поверхностей — то есть таких, которые способны уменьшить прикрепление микробов, оказывать антимикробное действие и нарушать среду обитания патогенов.
«Крылья цикады»: антимикробные узоры на поверхности
Поверхность крыла цикады состоит из наноразмерных шипов, которые могут пробивать клеточные стенки бактерий. Шипики оказались особенно действенными против некоторых видов бактерий, включая Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa (являются грамотрицательными), но не Bacillus subtilis и Staphylococcus aureus (грамположительные). Считается, что такая избирательность обусловлена различиями между клеточными стенками различных типов бактерий, например, у Bacillus subtilis и Staphylococcus aureus они более жесткие, и вероятность того, что они будут пробиты поверхностными шипами, ниже.
На основе наблюдений за крыльями цикад были разработаны поверхности с наноразмерными шипами с использованием металлоорганического каркаса. Эти поверхности положительно заряжены, что привлекает отрицательные бактерии на поверхность, где они прокалываются. Однако они оказались эффективными и в удалении Staphylococcus aureus.
Исследования показы- вают, что органосиланы вызывают значительное снижение числа бактерий на поверхностях. Преимущество таких продуктов заключается в том, что они могут использоваться как на мягких (одежда), так и на твердых поверхностях (поручни, ручки, стены).
Серебряная пуля
На границе между серебром и воздухом высвобождаются ионы серебра, которые препятствуют репликации ДНК и, следовательно, распространению устойчивости. Было показано, что серебро является токсичным для широкого спектра патогенов, однако опасения по поводу стоимости ограничили его применение областями, где нужны только небольшие концентрации. Предлагается использовать, например, катетеры из серебряного сплава у госпитализированных пациентов, нуждающихся в краткосрочной мочевой катетеризации (снижают частоту инфекций и предположительно обеспечивают экономию средств по сравнению со стандартными катетерами), и в системах очистки воды, так как доказано, что наночастицы серебра снижают риск микробного загрязнения воды.
«Кожа акулы» блокирует рост и образование биопленок
Гофрированные, шероховатые на мелкомасштабных уровнях поверхности работают как антиадгезивные. Показано, что поверхности с шероховатостью свыше 1 мм набирают и удерживают микробы, в то время как применение микрошероховатости (≤1000 мкм) уменьшает прикрепление микробов.
Уже сегодня «обкатываются» в практическом использовании (контактные поверхности в больницах) материалы, имитирующие рельеф и геометрию кожи акулы в микроразмерах. Доказано, что на поверхностях с высокой степенью соприкосновения они снижают уровень загрязнения Staphylococcus aureus (MSSA) и резистентного к антимикробным препаратам Staphylococcus aureus (MRSA) на 97 % и 94 % соответственно. Внутри медицинских приборов, в частности, внутри катетеров, «акульи» материалы проявили себя чрезвычайно успешно в противостоянии Escherichia coli и Staphylococcus aureus.
Самополирующиеся покрытия
Обладают свойствами «антиобрастания», широко используются на внешней поверхности корпусов судов. Большинство таких систем основаны на использовании растворимых в воде пигментов, таких как оксиды меди Cu2O, CuO. Поверхностный слой разрушается водой, что обусловливает высвобождение биоцида. Постоянная эрозия поверхности приводит к обновлению биоцидов. Данную концепцию сегодня предлагают применять и в медучреждениях.
Экстракты многих растений хорошо известны своими антимикробными свойствами. Гликозид розин, например, является абиетиновой кислотой (вырабатывается сосной) и может быть использован в качестве естественного биоцида в самополирующихся покрытиях. Этой теме посвящалось несколько исследований по изучению их эффективности на поверхностях в медучреждениях или на медицинских устройствах, таких как тимпаностомические трубки. Также было высказано предположение, что масло чайного дерева может быть высокоэффективным против MRSA.
Сила меди
Медь и медные сплавы, такие как латунь и бронза, обладают естественной способностью убивать бактерии и продемонстрировали активность in vitro против целого ряда патогенных микроорганизмов.
Агентство по охране окружающей среды США (EPA), которое регулирует противомикробные средства и материалы, информирует, что медные сплавы убивают более 99,9 % болезнетворных бактерий в течение 2 часов при постоянном воздействии.
Антимикробные поверхности из меди и сплавов в клинических условиях (например, поручни и дверные ручки) могут уменьшить бремя загрязнения и снизить риск передачи инфекции. Медные сплавы также доказали свою эффективность против грибковых инфекций, а несколько исследований показали, что «медь может применяться в системах кондиционирования воздуха в больницах, где пациенты более восприимчивы к грибковым инфекциям». В экспериментах медь использовалась для труб и кранов для снижения уровня бактерий, передающихся через воду (например, P.aeruginosa и L.pneumophila).
Однако долговечность, безопасность и экономическая эффективность использования медных сплавов в качестве антимикробных поверхностей все еще не была официально оценена. Главный аргумент: цена меди будет непомерно высокой для широкого применения.
Фотокаталитические покрытия
Такие поверхности поглощают свет и передают энергию другим молекулам. Наиболее широко используется диоксид титана (TiO2), который нетоксичен и сравнительно дешев. Если оксид титана поглощает свет при определенной длине волны в воде и кислороде, образуется гидроксильный свободный радикал — молекула с неспаренным электроном. Эти радикалы очень реактивны и убивают бактерии, разрушая клеточную мембрану. Фотокаталитические поверхности особенно эффективны в больничных условиях благодаря их самовосстанавливающемуся биоцидному эффекту, который делает такие поверхности активными в течение длительного времени.
Считается, что силиконовые катетеры с покрытием из диоксида титана можно стерилизовать и очищать простым облучением УФ-светом низкой интенсивности.