бактерицидные материалы
Хочу рассказать про одну из самых интересных штук, которой мы сейчас занимаемся на работе. Во-первых, уже есть первые результаты, во-вторых, чтобы потренироваться говорить и писать про это популярным языком.
Начну с занудства: радикальный рост продолжительности (и качества) человеческой жизни в 20-м веке во многом был связан с созданием удачных методов борьбы с микроорганизмами, в первую очередь с помощью антибиотиков. Раневые поверхности на человеческом теле являются для микробов комфортной средой обитания, мелкие травмы приводят к непропорционально серьёзным последствиям потому, что инфицируются вездесущими бактериями. За прошедшие с открытия пенициллина 80 лет многие смертельные болезни прошлого теперь не страшны, но за этот срок стали видны узкие места такой стратегии.
Первое: микроорганизмы стремительно эволюционируют, вырабатывая устойчивость к существующим антибиотикам быстрее, чем фармацевтические компании создают и выводят на рынок новые лекарства. На сегодняшний день закат “эры антибиотиков” ещё не наступил, но его контуры уже начали вырисовываться. Ну об этом много пишут, я не стану останавливаться подробно.
Другая проблема сопряжена как с успехами медицины, так и с новыми представлениями микробиологов о формах организации бактерий и других простейших. Сегодня для лечения пациентов с самыми разными заболеваниями активно применяются “invasive medical devices”, я здесь имею в виду не иголки шприцов, а что-то, засовываемое внутрь организма, и оставляемое там хотя бы на несколько дней (недель, месяцев, лет). Это могут быть, например, пластиковые катетеры, искусственные сердечные клапаны, или титановые имплантаты для скрепления разбитых костей. И с ними часто возникает очень много осложнений, 10-30% имплантирований приводят к микробным инфекциям, и антибиотики, вводимые в системный кровоток не очень помогают. Приходится доставать имплантат, всё вычищать, ставить заново. Начали разбираться почему такие сложности, почему не помогают, что именно приходится “вычищать”.
И стало понятно, что бактерии, несмотря на то, что “на страницах учебника” нарисованы как индивидуальные одноклеточные организмы, в живой природе имеют более сложную форму организации. Они прикрепляются к различными поверхностям с образованием сложных агломератов называемых “биоплёнками”. Эти биоплёнки содержат кучу соплей, механически объединяющих бактерии в плёнке и защищающих их от внешних угроз, туда могут подселяться другие бактерии или грибы, в общем, получается целый город. Оказалось, что дозы антибиотиков, требуемые для расщепления микроба, засевшего в биоплёнке, по сравнению с планктонным, выше в несколько десятков и сотен раз. Если такое количество ввести в человека, у него неминуемо отвалятся почки и печень.
То есть, оказалось, что поверхности этих устройств замечательно колонизируется микроорганизами (перепрыгивающих с кожи пациента, или, что хуже, по вентиляции прилетает высокорезистентная больничная микрофлора) обрастает, уже находясь в человеческом теле, этой «биоплёнкой» и начинают тухнуть.
И вот возникла идея, не у нас первых, конечно, она давно возникла (думаю, что в 1970-х годах) сделать материалы, которые будут сами обладать бактерицидными свойствами на самой своей поверхности. Чтобы микроорганизмы при контакте с такой поверхностью гибли, и образовать биоплёнку не успевали. Чтобы не приходилось колоть к кровь лошадиные порции антибиотиков, от которых только выводится бессмертный супермикроб.
Самый очевидный подход к созданию таких материалов, это взять какой-нибудь классный антибиотик, взять тот материал, из которого делается катетер (силикон или полиуретан) и смазать первым поверхность второго (или смешать на этапе изготовления катетера). Задумка состоит в том, чтобы антибиотик потом медленно смывался (выделялся), поддерживал в районе границы раздела фаз определённую концентрацию себя, и всю живность в нужном месте сразу убивали, прежде чем она успела сформировать опаснейшую биоплёнку. Такой подход действительно работает, и в науке и на практике, ну и с сертификацией проще — никаких новых веществ, только остроумная комбинация старых. На сегодняшний день это основной путь создания антимикробных поверхностей, оформление может усложняться (например, молекулу антибиотика можно “пришить” к инертной полимерной молекуле непрочной связью, которая будет медленно разрушаться в физиологических условиях и выделять этот антибиотик), но концепция сохраняется.
Недостатки этого пути тоже лежат на поверхности. Во-первых, это заведомо недолговечно, рано или поздно весь активный компонент вытечет. Во-вторых, нелегко заставить его вытекать с контролируемой скоростью, медленно и по-немного. В третьих, встаёт проблема загрязнения окружающей среды и утилизации. В четвёртых, такой способ плохо работает с металлическими поверхностями, а имплантаты, как правило, делают из металлов. Ну и если в качестве этого активного компонента использовать антибиотики (а для медицины чаще всего делают именно так), то никак не решается проблема резистентности. Для не-антибиотиков она, кстати, тоже стоит, но не настолько остро.
Более прогрессивный путь заключается в создании материалов, поверхность которых обладает собственными биоцидными свойствами. В англоязычной литературе они называются “non-leaching antimicrobial surfaces” — “антимикробные поверхности, из которых ничего не вытекает”. Для того, чтобы объяснить на каких принципах они могут функционировать, вернёмся к старым добрым антибиотикам и посмотрим, как работают они.
У микроорганизмов есть какие-то сложные метаболические циклы, в ходе которых они синтезируют необходимые для своей жизнедеятельности вещества. Антибиотики ингибируют ферменты, с помощью которых реализуется какая-то определённая стадия определённого цикла, бактерия теряет возможность размножаться или гибнет сразу. В силу того, что это механизм очень точечный и сложный, бактерии сравнительно легко мутировать, изменив строение своей «молекулярной мишени» (так называется участок фермента, который связывается с лекарственным средством), сделав её для этого связывания недоступным. Ну или научиться вырабатывать какой-то другой фермент, который будет расщеплять проглоченный бактерией антибиотик, прежде чем он сделает то, что ждут от него врачи и пациент. Такими способами резистентность обычно и реализуется.
Теперь попробуем понять как устроены те самые non-leaching поверхности. Неправильной, но наглядной иллюстрацией механизма их действия могут служить стрекательные клетки кишечнополостных. Они представляют собой «сжатые пружины», которые при контакте с раздражителем «разжимаются» и втыкаются в него (впрыскивая яд).
В нашей ситуации таким раздражителем будет являться бактерия, а «сжатая пружина» (специально синтезированный полимер определённого строения) будет «разжиматься» при контакте с клеточной стенкой бактерии за счёт комбинации сил электростатического и гидрофобного притяжения.
Молекулярной мишенью же является внешняя сторона клеточной стенки, поверхность бактерии. Её строение очень консервативно, для наших задач можно их у разных бактерий считать одинаковыми, хотя тут есть много нюансов, но о них лучше рассказать отдельно. Изменить те принципы её строения, которые обеспечивают её связывание с нашим полимером, тоже не так-то просто. Ну и поскольку это полимер, а не низкомолекулярное вещество как антибиотик, его геометрические размеры сопоставимы с этой стенкой, и «проглотить» его, чтобы научиться метаболизировать, у клетки тоже нет возможности. Это не значит, что резистентности к нему быть не может в принципе, но её формирование значительно усложнено по сравнению с антибиотиками.
Собственно, синтезом таких полимеров мы и занялись. Они представляют собой аморфные порошки, и как конструкционный материал неприменимы. Поэтому нам требуется решать отдельные задачи — как закрепить их на той или другой поверхности, это мы делаем совместно с разработчиками медицинских изделий.
После того, как мы прикрепили наш функциональный полимер к поверхности и мимо неё пытается проплыть бактерия, реализуется следующий сценарий:
1) бактерия “проплывает мимо” и задевает «свёрнутый в пружину» полимер на поверхности;
2) тот из свёрнутого состояния разворачивается и прилипает к ней;
3) отдельный участок полимера протыкает эту стенку
4) все эти события нарушают целостность стенки (а потом и цитоплазматической мембраны, которая стенкой защищена), в ней появляются дыры, цитоплазма вытекает наружу и бактерия погибает.
Понимание вышеизложенного может облегчить сравнение такого полимера с мылом, а бактерии — с масляным пузырьком в водном растворе. Мне кажется, бытового опыта должно хватать для проведения убедительного мысленного эксперимента, в ходе которого такие пузырьки будут моментально лопаться (растворяться) при добавлении в воду мыла.
Какое ещё одно очень важное свойство такого полимера могло остаться незамеченным? Он должен быть нерастворим в воде. Ведь все эти события происходят в водных растворах, и если он будет водорастворим, то спустя какое-то время просто смоется, и никакого non-leaching не получится. Да, это несёт ряд ограничений по применению, наверняка несколько снизит его активность (хотя дальше я объясню, что это может быть и неплохо), но как нам кажется, о каких-то долговечных устройствах без этого свойства говорить не приходится, а если нет задачи их делать, то есть куча простых и дешёвых решений. Хочется сделать имплантат, который не потребуется вытаскивать и заменять на новый каждые полгода.
Что у нас уже сделано?
Синтезировали серию таких полимеров. Убедительно показали их бактерицидную активность в серии экспериментов с непосредственным контактом обработанной поверхности и бактериальной суспензии. В другой серии экспериментов показали отсутствие так называемой “зоны ингибирования роста”, то есть, подтвердили, что водная вытяжка полимера не содержит никаких водорастворимых бактерицидных веществ (получился non-leaching). В качестве тестовых культур использовали как Грам-отрицательных, так и Грам-положительных бактерий, эта классификация как раз соответствует двум основным способам построения клеточной стенки, то есть действие универсально.
Что нам предстоит делать дальше?
Во-первых, нужно добиться того, чтобы это полимер был нетоксичным и биосовместимым. В общем случае это не так просто, потому, что клетки человеческого тела тоже обладают отрицательным зарядом на поверхности, и их липидный бислой так же растворится при контакте с катионным поверхностно-активным веществом. Именно по этому показателю и оказались “зарублены” предыдущие поколения таких полимеров. Пока никто не придумал надёжного способа отделить агнцев от козлищ, приходится действовать старым дедовским методом — подобрать активность не слишком высокую, и не слишком низкую, чтобы всех плохих убить, а хорошие при этом не слишком пострадали.
Во-вторых, как я и писал выше, титановую пластину из нашего порошкообразного полимера не изготовить. Нужно решить вопрос “совмещения” таких вот функциональных полимеров и конструкционных биоматериалов. Этих способов может быть очень много, для металлов одни, для полимеров другие, и их нужно разрабатывать под конкретное изделие. Процесс должен быть максимально простым и воспроизводимым (потому что сложных, дорогих и капризных придумано уже немало).
Самый простой это такие вот “бактерицидные лаки”, содержащие в качестве компонента нашу добавку.