Прочно и точно: российские учёные создали из паутины шовный материал, который поможет отследить развитие инфекции

Авторы нового гибридного наноматериала — учёные международного научного центра SCAMT, который существует на базе Национального исследовательского университета ИТМО. Состоит разработка из прочного паутинного шёлка и флуоресцентных углеродных точек, которые позволяют отслеживать возникновение инфекций на месте шва в режиме реального времени. Материал синтезируется за считанные часы, а его производство не требует крупных финансовых вложений.

Убийственное лечение

2 июля 1881 года в 9:30 утра на железнодорожной станции «Балтимор и Потомак», США, прозвучал выстрел. Раненый мужчина упал на землю. Прибежавшие на помощь прохожие узнали в нём Джеймса Гарфилда — действующего на тот момент президента страны.

Стрелявшим оказался хорошо знакомый раненому адвокат Шарль Гито. Перед президентскими выборами он агитировал за Гарфилда, а взамен надеялся получить хорошую должность после его победы. Но президент не оправдал ожиданий Гито. И тот решил отомстить выстрелом в спину. За что был приговорён к смертной казни через повешение.

Рана президента была неглубокой, внутренние органы не повреждены, но врачам всё никак не удавалось найти пулю и извлечь её из тела президента. Изобретатель телефона Александр Белл даже разработал специальный детектор для поиска мелких металлических предметов. Но и он не помог.

Рана воспалилась и начала гноиться. Это признак того, что в неё попала бактериальная инфекция — группа вредных микроорганизмов, которые отравляют человека. Проникнуть в рану она могла через нестерильные материалы, инструменты или грязные руки. У президента развился сепсис. Это заражение крови инфекцией — воспаление всего организма из-за проникновения в кровь гноя. Постепенно оно «отключает» все внутренние органы. Но в то время в истинные причины нагноения ран и сепсиса мало кто верил.

Чтобы вывести из организма токсины, из-за которых, по мнению врачей, началось воспаление, они сначала кормили пациента до упаду, а затем поили шампанским или виски. В результате у президента начинались сильнейшие приступы рвоты, которые как бы очищали его организм.

От такого «лечения» Гарфилду становилось всё хуже. А мысль о том, что причина воспаления в не стерилизованных инструментах и материалах, которые применяли и во время операции, и после, врачи отвергали. Более того, внимание к гигиене среди некоторых врачей в те времена всё ещё считалось недостойным профессионала. Спустя два с половиной месяца мучений Джеймс Гарфилд скончался.

Ртуть, йод и вино

О противоинфекционных свойствах некоторых веществ было известно ещё до нашей эры. Например, египетские бальзамировщики сохраняли тела усопших с помощью смол, масел и специй. Гиппократ же писал о смоченных вином повязках для борьбы с воспалениями.

Одним из первых слово «антисептик» употребил шотландский врач Джон Прингл в 1750 году в серии своих научных работ. Под этим термином он подразумевал вещество, которое предотвращает процессы разложения на поверхности открытых ран. Чуть позже, в 1766 году, французский химик Мари-Женевьева-Шарлотта Дарлю предложила использовать в качестве антисептика хлорид ртути, который в высокой концентрации считается ядом. А в 1811 году ещё одним французским химиком Бернаром Куртуа был открыт всем нам знакомый йод.

В 1846 году благодаря врачам Джону Уоррену и Уильяму Мортону в хирургию пришла анестезия. Она позволила выполнять более сложные хирургические операции. Но вместе с этим увеличилась и частота инфицирования больных. Поскольку хлорид ртути и йод были эффективны лишь при мелких травмах, а хирурги, отвергая идею о существовании бактерий, продолжали использовать грязные бинты и хирургические инструменты. И не считали нужным мыть руки. Поэтому даже успешно проведённые операции часто заканчивались трагично. Смертность от распространённых тогда ампутаций составляла до 45%.

Бактериям всё нипочём

Всерьёз борьбу с хирургическими заражениями начал английский хирург Джозеф Листер. В 1865 году во время операции он впервые применил карболовую кислоту, или фенол, в качестве антисептика для инструментов, материалов и вообще всего, что контактирует с раной. Позднее он создал целый научный труд с описанием своего антисептического метода. Несмотря на критику и недоверие со стороны других учёных, метод работал. В дальнейшем это открытие сделало большой вклад в развитие медицины.

Листер также доказал, что причина послеоперационных воспалений в бактериях, микроскопических одноклеточных организмах, которые попадают в раны вместе с грязными инструментами и материалами. И описал метод применения саморассасывающихся кетгутовых нитей, которые делали из подслизистого слоя кишечника крупного рогатого скота. Использование этих нитей тоже снижало риск возникновения воспаления, поскольку организм не воспринимал их как чужеродный объект.

Благодаря открытиям Джозефа Листера в хирургии начался новый этап. Ведь до этого не только антисептиков не было, но и в качестве шовных материалов использовали всё, что под руку попадётся: растительные волокна, хлопок, человеческий и конский волос и т.д. А после начали разрабатывать даже синтетические искусственные нити. Так, в 1924 году немецкие химики Вилли Херман и Вольфрам Холь открыли поливиниловую кислоту. Она стала ключевым компонентом синтетических волокон.

Спустя несколько лет американский учёный Уоллес Хьюм Карозерс синтезировал нейлон — материал «тоньше паутинки и прочнее стали». Тогда же в Германии был получен прочный, эластичный и не вызывающий негативных реакций капрон.

Каждый новый материал был лучше предыдущего. Но их все превзошли изобретённые в 70-80-х годах саморассасывающиеся синтетические нити. Среди них викрил (Vicryl), максон (Maxon) и ПДС (PDS).

Современная хирургия располагает большим количеством антисептических средств и качественных шовных материалов. Врачи больше не отрицают необходимость мытья рук и использования стерильных инструментов. Тем не менее нозокомиальные, или больничные, инфекции ежегодно возникают у 2,5 млн пациентов российских больниц. Из них около 24% — хирургические инфекции кожи и мягких тканей из-за различных, даже самых незначительных проблем со стерильностью или наличия в больнице особо устойчивых микроорганизмов. Люди всё ещё умирают от послеоперационного сепсиса. Основная причина — поздняя диагностика проблемы, поскольку отследить скрытый под кожей инфекционный очаг очень сложно.

Пауки спасут мир

Обнаружить послеоперационную инфекцию в режиме реального времени стало возможным благодаря изобретению нового шовного материала. Его авторы — российские учёные из международного научного центра SCAMT (Solution Chemistry of Advanced Materials and Technologies / Растворной химии передовых материалов и технологий), который входит в состав Национального исследовательского университета ИТМО (Института точной механики и оптики).

Состоит новый саморассасывающийся материал всего из двух компонентов: натурального паутинного шёлка и углеродных точек. Первый формирует каркас, а второй выступает в качестве наполнителя.

Для создания материала учёные использовали шёлк тигрового паука (от лат. Linothele fallax), названного так из-за его окраса. Паутинный шёлк — это паутина, секрет паучьих желёз. В теле паука он хранится в виде жидкости, но вскоре после выделения застывает в виде нити. По своему составу паутина — это белок. Он в свою очередь состоит из схожих с человеческими аминокислот, поэтому шовный материал из паутинного шёлка не будет вызывать негативных реакций у пациентов. И даже наоборот — организм будет использовать белок как строительные кирпичики для скорейшего заживления швов.

Российские исследователи выбрали именно тигрового паука, потому что он плетёт паутину в виде сплошного полотна, а не радиальную, круговую, как многие другие пауки. Это упрощает сбор материала. Кроме того, химический состав и физические свойства такого шёлка примерно одинаковые в любом его месте. А ещё эта паутина очень прочная, потому что тигровый паук плетёт её из секрета одной главной железы, а прядильные трубочки, по которым проходит готовая нить, имеют однородную поверхность и не нарушают целостность нитей. К тому же Linothele fallax плетёт паутину очень быстро — пластиковый контейнер, в котором он живёт, будет полностью оплетён за неделю.

Всего в распоряжении учёных 50 контейнеров, в каждом из которых живёт один паук. Размер контейнера — 40х30х20 сантиметров. Все контейнеры находятся в инсектарии — специальном помещении для содержания и размножения пауков. Там поддерживается температура 25°C и уровень влажности в необходимом для пауков диапазоне. Кормят членистоногих двупятнистыми сверчками. В таких условиях пауки чувствуют себя комфортно и позволяют собирать много шёлка: по 10 мг с одного контейнера каждые три дня. По словам специалистов, эти членистоногие в будущем смогут плести паутину в промышленных масштабах.

Дополняют паутину углеродные точки — относительно новая разновидность наноматериалов. Учёные рассматривают их как особое переходное состояние химического элемента углерода, которое отличается от уже известных (графита, графена, углеродных нанотрубок и других). Представить углеродные точки можно в виде маленьких бусинок. Только увидеть их мы можем исключительно под микроскопом, ведь диаметр одной наночастицы от двух до десяти нанометров, что составляет одну миллиардную метра.

Получить углеродные точки, в отличие от других наноматериалов, можно из любого дешёвого сырья, например, из глюкозы, сахарозы или лимонной кислоты. Это делает производство нитей на их основе очень доступным. Но главная особенность точек в их флуоресцентных способностях. Это значит, что они могут светиться при поглощении света с определённой длиной волны. Например, если облучить материал синим цветом, он будет светиться красным. Но при попадании на него патогенных бактерий или грибков свечение наблюдаться не будет.

Так, врачи смогут понять, есть в ране инфекция или нет, просто посветив специальным фонариком на шов. Если он светится — всё хорошо, если не светится — пора бороться с патогенами. Такой эффект связан с изменениями в структуре углеродных точек при взаимодействии с болезнетворными микроорганизмами, из-за чего их способность к свечению пропадает.

Процесс создания материала занимает меньше суток. Для этого учёные собирают паутину, очищают её, а затем обрабатывают раствором углеродных точек. Полученную реакционную смесь помещают в специальный сосуд, а его отправляют в печь. Соединение ингредиентов происходит под большим давлением и при температуре 140°C в течение 6 часов. В результате на поверхности паутины вырастают углеродные точки. Полученную смесь промывают и формируют из неё нить. Учёные провели много синтезов, и именно такие условия обеспечивают получение нужных механических и флуоресцентных свойств. По словам разработчиков, характеристики нового материала значительно превосходят уже используемые в хирургии.

Учёные уже протестировали разработку на взаимодействие с такими бактериями, как золотистый стафилококк и кишечная палочка, а также с грибками рода Candida. Впереди более глубокое изучение биоразлагаемости материала, сохранения им рабочих свойств и проведение тестов на животных и человеке.