Поліелектроліт TESET вбиває стійкі до ліків мікроби наповал

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 62

Ріс. 1. Залежність виживаності метицилінрезистентного золотистого стафілокока від часу при контакті з двома видами сополімерів сімейства TESET, які розрізняються відсотком полімерних ланок, що містять сульфогрупи -SO₃H (ці групи є в 26% ланок полімеру TESET26 і 52% ланок полімеру TESET52). Показана також структурна формула цих полімерів (гідрофільні та гідрофобні ділянки сополімеру позначені синім і червоним, відповідно). Мінімальну межу виявлення (MDL) вказано як 10 ⁻ 4% від вихідної кількості бактерій. Малюнок з обговорюваної статті в Materials Horizons

Дослідники з США виявили, що полімер TESET, який використовується в хімічній промисловості, що містить сульфогрупи, проявляє унікальні протибактеріальні властивості. Значно знижуючи рН середовища навколо себе, він за дуже короткий час здатний вбивати патогенні мікроорганізми, включаючи стійкі до антибіотиків штами.

Стійкість патогенних мікроорганізмів до лікарських препаратів стає все більш серйозною загрозою для охорони здоров’я у всьому світі (див., наприклад, статті Майї Петрової та Олексія Ржешевського Резистентність бактерій: небезпека, яка поруч і R. Laxminarayan, D. Heymann, 2012. Challenges of drug resistance in the developing world). За роки застосування терапії, заснованої на використанні антибіотиків, деякі мікроби завдяки випадковим мутаціям переживали контакт з призначеними для боротьби з ними хімічними речовинами, а їх потомство в результаті змогло виробити механізми, що захищають його від дії антибіотиків.

Прикладами стійких до дії антибіотиків патогенних мікроорганізмів, або, як їх ще називають, «супербактерій», є метицилінрезистентний золотистий стафілокок (S. aureus, MRSA), ванкоміцинрезистентний ентерококк (E. faecium, VRE) і карбенапрезистентний BA. Проблема поширення лікарсько-стійких мікроорганізмів посилюється помилками медичної діагностики (через які лікують не від того, від чого треба), низькою якістю профілактики захворювань і надлишковим застосуванням антибіотиків. Одним із симптомів зростаючої кризи охорони здоров’я, пов’язаної зі стійкістю до антибіотиків, можна назвати збільшення кількості внутрішньолікарняних інфекцій, що становлять серйозну загрозу для літніх і людей з ослабленим імунітетом. Про механізми вироблення стійкості до лікарських препаратів і пов’язані з цим проблеми можна докладніше прочитати в новині Синтезований суперантибіотик, до якого не виробляється резистентність («Елементи», 06.06.2017).

Щороку інфекції, викликані лікарсько-стійкими мікроорганізмами, забирають життя десятків тисяч людей у розвинених країнах. Медична статистика дозволяє зробити невтішний прогноз — до 2050 року смертність від інфекцій, викликаних «супербактеріями» може перевищити показник смертності від онкологічних захворювань (J. O’Neill, 2016. Tackling drug-resistant infections globally: final report and recommendation).

Особливо гостро проблема інфекцій, що викликаються лікарсько-стійкими мікробами, стоїть, як не дивно, в лікарнях: у них багато пацієнтів з ослабленою імунною системою, в яких мікроби живуть і розмножуються, а висока «концентрація» різних методів лікування створює посилений еволюційний прес, який буквально змушує бактерії підвищувати свою резистентність. Серед так званих внутрішньолікарняних інфекцій багато пов’язані з перерахованими вище «супербактеріями». Шляхи зараження ними різні: деякі передаються повітряно-крапельним шляхом, деякі — при безпосередньому контакті (з ранами і слизовими оболонками). Тому важливо якомога ефективніше знезаражувати приміщення лікувальних установ, в тому числі — і стерилізувати різноманітні поверхні. У даний час застосовується декілька підходів (рис. 2).

Ріс. 2. Механізми стерилізації поверхонь: a — опромінення ультрафіолетом або застосування реагентів; b — використання наночастинок металів або їх оксидів; c — напилення, до складу якого входять фоточутливі молекули, при опроміненні видимим світлом утворюють синглетний кисень ¹O₂; d — покриття функціоналізованими полімерами, e — катійні зшиті гідрогелі або полімери; f — аніонні блок-сополімери, що знижують значення рН поблизу своєї поверхні. Малюнок з обговорюваної статті в Materials Horizons

Найпростіший спосіб стерилізації — регулярна обробка поверхні УФ-випромінюванням або дезінфікуючими хімічними речовинами (хлорна вапна, перекис водню, поверхнево-активні речовини), проте така обробка може пошкодити поверхню або навіть стати додатковим фактором ризику для здоров’я людини.

Наступний за поширеністю спосіб — закріплення на поверхні наночастинок металів (срібла або золота) або оксидів металів (ZnO або TiO₂). Наночастинки відіграють роль бактерицидів. Вони знищують патогени, руйнуючи клітинну мембрану бактерії або грибка, завдяки чому у мікроорганізмів немає можливості виробити до них стійкістю (A. P. Richter et al., 2015. An environmentally benign antimicrobial nanoparticle based on a silver-infused lignin core). Однак такий підхід вимагає обережності — наночастинки можуть «витекти» в навколишнє середовище і або стати елементом харчових ланцюгів, або безпосередньо потрапити в організм людини, а поки перспектива неконтрольованого довгострокового контакту живих організмів з нанооб’єктами викликає у багатьох побоювання.

Ефективним і надійним методом видалення патогенних мікроорганізмів можна назвати фотодинамічну активацію поверхні. Суть цього методу полягає у введенні в полімерну поверхню фоточутливих молекул, які при опроміненні видимим світлом сприяють переходу молекул кисню повітря в активний синглетний кисень (¹O₂). Ця форма кисню може інтенсивно окисляти будь-які органічні речовини (в тому числі і утворюючі мембрани клітин), тобто це — ефективний мікробіоцид загальної дії, до якого неможливо виробити резистентність (E. Feese et al., 2011. Photobactericidal porphyrin-cellulose nanocrystals: synthesis, characterization, and antimicrobial properties), однак виробництво поверхонь, здатних до генерування синглетного кисню, поки коштує дорого. Ще один недешевий спосіб видаляти патогенні мікроорганізми з поверхні — виготовлення таких поверхонь з полімерів, які самі по собі згубні для бактерій або грибків (A. E. Ozcam et al., 2012. Generation of functional PET microfibers through surfaceinitiated polymerization).

Один з перспективних напрямків у створенні антибактеріальних поверхонь — застосування поліелектролітів — полімерних молекул, здатних у водному середовищі розпадатися на багато маленьких іонів і макромолекулярні іони, на яких локалізується позитивний або негативний електричний заряд. Цей заряд може взаємодіяти із зарядженими ділянками клітинної мембрани патогенного мікроорганізму, ініціюючи руйнування мембрани (L. B. Rawlinson et al., 2010. Antibacterial effects of poly(2-(dimethylamino ethyl)methacrylate) against selected Gram-positive and Gram-negative bacteria). Однак до теперішнього часу на поверхні закріплювали тільки ті полімерні електроліти, які в присутності води набухають, утворюючи м’які гідрогелі — колоїдні структури, своєю консистенцією і міцністю схожі на холодець або кисіль. Оскільки патогенні мікроорганізми мешкають у воді, міцність таких антибактеріальних поверхонь залишає бажати кращого і вони швидко руйнуються, що надзвичайно незручно для практичного застосування. (P. Li et al., 2011. A polycationic antimicrobial and biocompatible hydrogel with microbe membrane suctioning ability).

У новій роботі дослідники з Університету Північної Кароліни, які працюють під керівництвом Річарда Спонтака (Richard Spontak) і Рези Гіладі (Reza Ghiladi), виявили, що протимікробними властивостями володіє поліелектроліт, який, на відміну від багатьох інших поліелектролітів, не утворює неміцні гідрогелі. Цим полімером виявився комерційно доступний еластомер полі [трет-бутілстирол-b- (етилен-альт-пропілен) -b- (стиролсульфонат) -b- (етилен—альт—пропілен) —b-трет-бутілстирол], який продається під комерційним найменуванням TESET і застосовується у водоочищенні і для виготовлення G. Characterization of a sulfonated pentablock copolymer for desalination applications). Бактерицидний ефект був вивчений для двох марок сополімери, в яких _{сульфогрупи} (-SO3H) щеплені до 26% і 52% ланок ланцюга макромолекули (TESET26 і TESET52, відповідно).

У воді присутні в полімері сильнокислотні сульфогрупи дисоціюють, в результаті чого рівень pH в найближчому оточенні полімеру знижується. Вплив значення pH на бактерії вивчено добре. За своїми уподобаннями в кислотності середовища для зростання і розвитку мікроорганізми ділять на ацидофіли (нормальне для них значення рН лежить в діапазоні 1,0-5,5), нейтрофіли (5,5-8,0) і алкалофіли (що живуть в лужному середовищі з рН більше 8,0). І хоча різні мікроорганізми можуть виживати в середовищах з різною кислотністю (в тому числі і не характерною для їх нормального розвитку), швидка зміна рівня рН сприяє механічній напрузі зовнішньої мембрани бактеріальної клітини, якого вистачає, щоб мембрана зруйнувалася, а бактерія загинула.

Дослідники показали (рис. 3), що полімери TESET демонструють антибактеріальну активність: обидві марки за п’ять хвилин знищують 99,9999% і грамотрицьких, і грамположних мікроорганізмів, що становлять найбільшу небезпеку з точки зору мультирезистентності до антибіотиків і розвитку внутрішньолікарняних інфекцій (E. faecium, S. aureus, K. pneumoniae, A. baumannii, Pseudomonas aeruginososa і Entera. Відмінність між протимікробної активності полімерів невелика, і переважно стосується деталей — TESET52 більш ефективна в дезактивації метицилінрезистентного золотистого стафілокока, а TESET26 краще діє на штами S. aureus, чутливі до дії метициліну.

Ріс. 3. Виживаність грамполоджувальних (a) і грамотрицьких (b) бактерій протягом п’яти хвилин в контрольному досвіді (зелений), при контакті з TESET26 (фіолетовий) і TESET52 (червоний). Малюнок з обговорюваної статті в Materials Horizons

Результати вивчення біологічної активності полімерів TESET дозволяють говорити про те, що може існувати відносно простий і недорогий спосіб боротьби з «супербактеріями» — протимікробні матеріали, дія яких активується звичайною водою. Дослідження токсикології цих полімерів, однак, говорить про те, що вони небезпечні і для клітин ссавців, тобто самі по собі TESET26 і TESET52 не зможуть відразу підійти для виготовлення протибактеріальних поверхонь для лікарень. Тим не менш, вчені не втрачають впевненості, що розробка небезпечних для людини протибактеріальних полімерів — аналогів сульфонованих еластомерів TESET — справа найближчого майбутнього.

Джерело: Bharadwaja S. T. Peddinti, Frank Scholle, Mariana G. Vargas, Steven D. Smith, Reza A. Ghiladi, Richard J. Spontak Inherently self-sterilizing charged multiblock polymers that kill drug-resistant microbes in minutes // Materials Horizons. 2019. DOI: 10.1039/c9mh00726a.

Аркадій Курамшин