Бактерии будут повержены: российские учёные создали уникальный антибактериальный наноматериал

Разработкой инновационного наноматериала занимались учёные Российского государственного университета нефти и газа имени И.М.Губкина совместно с бразильскими и китайскими коллегами. Главные компоненты нового композита — ионы серебра, фосфорномолибденовая кислота и нанотрубки галлуазита. В комплексе они успешно борются с бактериями без помощи антибиотиков, а значит — болезнетворные организмы не смогут выработать устойчивость к новому материалу.

Неуязвимый враг

В августе 2016 года в больницу города Рино, штат Невада, США, поступила 70-летняя женщина в тяжёлом лихорадочном состоянии и с болью в бедре. Собрав анамнез, врачи выяснили, что на днях пациентка вернулась из Индии, где прожила последние два года. Там она неоднократно подвергалась хирургическим операциям по поводу перелома правой бедренной кости.

Для пожилых людей восстановление после переломов и операций — процесс длительный и сложный, поскольку регенерация тканей замедлена. Выздоровление женщины усложнилось также возникшим у неё остеомиелитом. Это бактериальная инфекция, гнойное воспаление костного мозга — мягкой губчатой ткани, которая расположена в центре крупных костей, в том числе и бедренных. Заражение могло произойти во время операций из-за нарушения норм стерильности инструментов или материалов.

Американские врачи диагностировали у женщины синдром системной воспалительной реакции — ответ сразу всех систем организма на какое-либо повреждение; и, самое страшное, сепсис — заражение крови инфекцией. Иммунной системе не под силу справиться с такой нагрузкой, поэтому постепенно органы начинают отказывать. Нередко заражение крови заканчивается смертью.

Чтобы остановить сепсис, необходимо сразу же начать терапию. Лечится он антибиотиками. Именно их и назначили 70-летней пациентке. Но ни один из доступных в США препаратов не смог справиться с инфекцией. Несмотря на все усилия медиков, вскоре женщина умерла от септического шока.

Бактериологический анализ обнаружил в крови пациентки карпабенем-резистентную энтеробактерию вида Klebsiella pneumoniae. Бактерия показала устойчивость к 26-ти антибиотикам.

Согласно исследованию учёных из Института показателей и оценки здоровья при Университете Вашингтона, устойчивость к антибиотикам стала одной из трёх главных в мире причин смерти. Ежегодно сотни тысяч человек становятся жертвами распространённых, ранее легко излечимых инфекций. В 2019 году по этой причине умерли более 1,2 млн человек. Каждая пятая такая смерть приходится на детей в возрасте до пяти лет. Чаще люди умирают только от ишемических болезней сердца и инсультов. По прогнозам специалистов, к 2050 году устойчивые к антибиотикам бактерии убьют больше людей, чем рак — как минимум 10 млн человек.

Безуспешная борьба

Бактерии — это микроскопические живые одноклеточные организмы. Увидеть их мы можем только под микроскопом. Живут бактерии буквально повсюду: в почве, в воде, в человеческом организме. Причём они бывают как полезные (например молочнокислые бактерии, которые участвуют в пищеварении человека), так и очень опасные (например чумная палочка, бацилла сибирской язвы, холерный вибрион).

Секрет успеха бактерий в скорости их размножения. Делают они это, как и положено клеткам, делением. Каждые 20 минут. Благодаря чему бактерии быстро эволюционируют и адаптируются к любым изменениям окружающей среды, в том числе к антибиотикам.

Термин «бактерия» был предложен немецким естествоиспытателем Христианом Эренбергом в 1828 году. Хотя голландский микроскопист Антони ван Левенгук увидел бактерии задолго до этого — в 1767. А связь между бактериями и некоторыми болезнями микробиологи Луи Пастер и Роберт Кох обнаружили только в 1859 году. Шесть лет спустя за изучение возбудителя туберкулёза Роберт Кох был даже удостоен Нобелевской премии, а бактерия, вызывающая это заболевание, была названа его именем — палочкой Коха.

Одновременно с изучением бактерий шёл поиск средств, которым под силу уничтожить их. Первое такое средство было обнаружено британским учёным Александром Флемингом совершенно случайно. Во время одного из экспериментов Флеминг оставил открытой лабораторную чашу с колониями стафилококковых бактерий. Спустя время он обнаружил, что в чашу попала плесень — та самая, от которой залежалый хлеб становится зелёным. Но в тех местах чаши, где были пятна плесени, не было бактерий. Учёный продолжил эксперименты и сделал вывод, что плесень вырабатывает вещество, которое в небольших концентрациях способно противостоять патогенным бактериям разного вида: гонококкам, стрептококкам, пневмококкам и, конечно, стафилококкам. Так в 1928 году родился пенициллин — первый антибиотик.

Антибиотики — это лекарственные средства микробного, растительного или животного происхождения, которые убивают бактерии и подавляют их распространение. Работают они за счёт воздействия на клеточную стенку (у человеческих клеток её нет) или на специфичный для бактерий механизм формирования белка или ДНК, макромолекулы, которая хранит генетическую информацию. Термин «антибиотик» был введён американским микробиологом Зельманом Ваксманом в 1942 году.

Несмотря на то, что именно пенициллин считается первым антибиотиком, первым действенным противомикробным средством был сальварсан. Его в 1907 году изобрёл немецкий иммунолог-бактериолог Пауль Эрлих. Препарат оказался очень токсичным, поскольку он был выделен из мышьяка — яда, который в небольших дозировках активно использовался в те времена для лечения многих болезней. Но сальварсан всё равно применялся в борьбе с бледной трепонемой — бактерией, вызывающей сифилис.

Однако позже Эрлих выяснил, что если дать пациенту недостаточное количество препарата, бактерия быстро выработает к нему устойчивость и заболевание уже не поддастся лечению даже этим токсичным средством. Так учёным была открыта резистентность, или лекарственная устойчивость.

В случае с антибиотиками открытие нового препарата может на какое-то время решить проблему резистентности. Однако с высокой вероятностью бактерии научатся противостоять и ему. К тому же искать новые препараты становится всё сложнее. Ведь уже существуют так называемые супербактерии, которые устойчивы практически ко всем антибиотикам.

В качестве альтернативных методов специалисты предлагают пассивную иммунизацию — вакцинацию, выработку иммунитета за счёт введения в организм малых доз патогенных микроорганизмов. К сожалению, и противопоказаний, и противников у такого метода довольно много. Из-за чего инфекционные заболевания продолжают распространяться.

Ещё один вариант — фаговая терапия. Это лечение с помощью вирусов, преимущественно бактериофагов. Вирус — это неклеточная форма жизни, которая может осуществлять какую-то свою деятельность только в клетке (например в животной, человеческой, бактериальной и т.д.). Но такая терапия требует создания отдельного препарата под каждого конкретного пациента. Поскольку один фаг, вирус, работает только против одного-двух штаммов, разновидностей бактерий. При этом штаммов существуют сотни тысяч. Даже одно заболевание у двух разных пациентов может быть вызвано совершенно разными видами бактерий. К настолько индивидуальному подходу медицина ещё не готова.

Выход есть!

Решить проблему резистентности взялись учёные из Российского государственного университета нефти и газа (национального исследовательского университета) имени И.М.Губкина. Совместно с бразильскими и китайскими коллегами они создали уникальный антибактериальный наноматериал. В его составе нет антибиотиков, а значит, он не будет способствовать развитию лекарственной устойчивости у бактерий.

Один из главных компонентов нового наноматериала — ионы серебра. Серебро — это химический элемент, а также пластичный металл серо-белого цвета, который в природе встречается не только в привычном нам виде, но и в составе других веществ. А ион серебра — это один атом, мельчайшая частица серебра, который лишился электрона — вращающейся вокруг ядра атома ещё более мелкой частицы. Лишившись электрона, атом становится очень активным, положительно заряженным, поскольку ему нужно снова найти электрон.

То есть ионы серебра — это химически очень активные элементы. И они же обладают противомикробным действием. Работают ионы по принципу угнетения жизненной функции бактерий. Проникая внутрь бактериальной клетки через клеточную стенку, ионы присоединяются к ферментам бактерий. Это сложные белковые соединения, которые ускоряют химические реакции. В обычном состоянии эти ферменты обезвреживают активные формы кислорода, которые образуются в результате жизнедеятельности клетки. Переизбыток активных форм кислорода приводит к нарушению внутриклеточных процессов. После присоединения ионов серебра к ферментам именно это и происходит: запускается реакция окислительного стресса — клетка наполняется токсинами, и поскольку обезвредить их не может, вскоре погибает.

Чтобы бактерии не вырабатывали защитные ферменты, которые смогут противостоять действию ионов, к серебру учёные добавили фосфорномолибденовую кислоту. Кислота в общем понимании — это сложное химическое вещество, которое состоит из одного или нескольких атомов водорода и кислотного остатка (так называют те элементы, которые дополняют водород в составе кислоты). Фосфорномолибденовая кислота относится к гетерополикислотам — комплексным кислотам, в которых содержится по меньшей мере два кислотных остатка. Ранее проведённые исследования показали, что такие кислоты проявляют особую биоцидную активность — способность подавлять жизнедеятельность вредных организмов.

Носителем для активных компонентов стал галлуазит — природный глинистый материал белого, серого или голубоватого цвета. Галлуазит состоит из водного силиката алюминия, как и белая глина. Но, в отличие от глины, которая имеет простую слоистую структуру, как торт, в галлузите эти слои свёрнуты в рулон. А главная особенность этого материала в том, что почти на 95% он состоит из нанотрубок — очень маленьких наночастиц в виде полых стержней. Увидеть их без помощи мощного микроскопа невозможно: внешний диаметр одной такой нанотрубки — около 50 нанометров. Для сравнения 1 нанометр по отношению к метру — это как один китаец по отношению ко всему населению Китая.

Основное преимущество нанотрубок галлуазита перед аналогами в том, что их внутренняя и внешняя поверхности обладают разными химическими свойствами: внутренняя поверхность состоит из положительно заряженного оксида алюминия, что позволяет ей притягивать к себе отрицательно заряженные частицы, а внешняя — из отрицательно заряженного оксида кремния, который притягивает положительно заряженные частицы. Такая структура делает галлуазит универсальным материалом, который можно модифицировать до бесконечности. Так, ионы серебра смогли расположиться на внешней поверхности, а молекулы кислоты — на внутренней.

Процесс распределения серебра и фосфорномолибденовой кислоты на нанотрубках происходил с помощью нескольких этапов центрифугирования. Это метод разделения неоднородных смесей на составляющие части путём очень быстрого вращения. Для этого пробирки с жидкостью, растворами, суспензиями, помещаются в специальный контейнер центрифуги — устройства, которое обеспечивает вращение с нужной скоростью. После включения прибор начинает вращаться, а составляющие смесей за счёт разного поведения частиц в центробежном поле разделяются, например, на твёрдые фракции и жидкости.

Итак, чтобы создать наноматериал, учёные прошли несколько этапов. Сначала порошок галлуазита они промыли раствором спирта этанола в воде. Затем отделили порошок в центрифуге и просушили. После чего добавили к галлуазиту кислоту в спиртовом растворе, снова центрифугировали, чтобы молекулы кислоты поселились внутри нанотрубок, а жидкость отделилась. И снова просушили. Затем добавили к порошку, обогащенному кислотой, раствор с ионами серебра. И отправили их ещё на один цикл в центрифугу, чтобы серебро осело на поверхности нанотрубок. Полученный композит, уже богатый многокомпонентный материал, просушили. В результате получился обогащённый серебром и кислотой порошок.

Исследования показали, что необходимый антибактериальный эффект проявляется только при сочетании всех компонентов. По отдельности они не обеспечивают ожидаемого результата. Минимальное количество материала для подавления золотистого стафилококка и синегнойной палочки — 0,5 г/л, а для ацинетобактер — 0,25 г/л.

Использовать полученный материал планируют в качестве добавки к защитным покрытиям медицинских инструментов и мебели для предотвращения распространения бактерий в больницах. Кроме того, использовать такие покрытия можно и в других общественных местах, например, на ручках дверей, сантехнике или сенсорных экранах.

Следующий шаг в исследовании российских учёных — изучение антибактериального действия разработанной системы против сформировавшейся биопленки, структурно организованного сообщества бактерий. В её составе организмы значительно легче вырабатывают устойчивость к антибиотикам.