От защиты наших продовольственных запасов до предотвращения внутрибольничных инфекций, борьба с бактериями, устойчивыми к антибиотикам, становится все более сложной задачей. Некоторые бактерии могут образовывать биопленки, толстые агрегаты из миллионов отдельных клеток, окруженных защитными слизеподобными веществами, которые легко прилипают к поверхностям. Формирование таких биопленок является важнейшей бактериальной стратегией сопротивления лечению.

Плотные, слоистые колонии защищают бактерии от иммунных клеток и снижают эффективность антисептиков и антибиотиков. «После того, как образуется биопленка , ее структура действует как барьер, что крайне затрудняет проникновение лекарств и уничтожение бактерий», — объясняет доктор Чисато Такахаши, главный исследователь Национального института передовой промышленной науки и технологий (AIST). Необычайная устойчивость биопленок побудила исследователей искать инновационные решения за пределами традиционных антибиотиков.

В своей недавно опубликованной статье в журнале Nanoscale группа ученых из Окинавского института науки и технологий (OIST) и AIST разработала новый подход к борьбе с устойчивыми к лечению бактериями.

Чтобы преодолеть недостатки традиционных антибиотиков, исследователи разработали уникальную наночастицу, которая сочетает в себе несколько механизмов уничтожения бактерий.

«Мы инкапсулировали наши серебряные частицы в полимерную оболочку Soluplus и пропитали ее азитромицином, антибиотиком. Эта инновационная стратегия инкапсуляции делает наночастицы стабильными и высокоэффективными в их антимикробной активности», — говорит доктор Такахаши.

После демонстрации стабильности этих наночастиц в предыдущем исследовании пришло время проверить их эффективность. «Мы выбрали две известные бактерии, которые, как правило, вызывают проблемные внутрибольничные инфекции: Escherichia coli и Staphylococcus epidermidis», — говорит доктор Мурали Мохан Джалигам, научный сотрудник-постдокторант в Отделении микро/био/нанофлюидики OIST и первый автор исследования.

Эти бактерии печально известны тем, что образуют устойчивые биопленки на таких поверхностях, как катетеры и хирургические имплантаты, что приводит к тяжелым, устойчивым к лечению инфекциям внутри человеческого тела. Антибиотики действуют очень избирательно, удаляя бактерии, что ограничивает доступные варианты лечения при бактериальной инфекции , ограничение, которое становится особенно критическим, когда возникает устойчивость к антибиотикам .

В таких ситуациях новейшие наночастицы могут превзойти традиционные методы.

«Наши наночастицы могут осуществлять атаку двойного действия — воздействуя на бактериальные клетки как антибиотиками, так и ионами серебра. Инкапсулирующий полимер обеспечивает стабильность и предотвращает слипание наночастиц, повышая их эффективность», — говорит профессор Эми Шен, руководитель подразделения микро/био/нанофлюидики OIST.

Только объединив серебро, антибиотики и полимер, исследователи наделили свои наночастицы уникальными возможностями проникать в бактериальные биопленки и разрушать их.

«Не любая наночастица может справиться с этой задачей», — добавляет доктор Такахаши.

Визуализация успеха: новый метод мониторинга в реальном времени

Исследователи использовали сканирующую электронную микроскопию и измерения оптической плотности, чтобы наблюдать, как наночастицы разрушают биопленки. Хотя эти методы хорошо известны, они могут быть трудоемкими и требуют окрашивания образца специальными красителями. Разработка электродов из лазерно-индуцированного графена (LIG) позволила команде преодолеть существующие технические ограничения.

«Мы создали миниатюрную, высокочувствительную систему LIG-электродов, способную в режиме реального времени отслеживать активность бактерий», — объясняет доктор Джалигам. Эти электроды имеют большую площадь поверхности, что дает бактериям идеальную основу для формирования биопленок, и обладают высокой проводимостью, поэтому они могут легко измерять поток электрических зарядов.

Поскольку разлагающиеся бактерии создают другой электрохимический сигнал, чем целые бактерии, электрод может обнаружить распад бактериальной клетки при изменении электрического тока. Этот метод быстрее и точнее традиционных методов оценки антимикробной активности и работает без окрашивания бактерий.

«Наша технология сенсора LIG предлагает эффективное, масштабируемое и экономичное решение для обнаружения и управления бактериальным загрязнением и биопленками», — отмечает профессор Шен. Эти качества открывают несколько областей для использования электродов, таких как скрининг рака. Равным образом, наночастицы имеют потенциальные применения за пределами борьбы с внутрибольничными инфекциями, например, для покрытия медицинских устройств, чтобы предотвратить образование биопленок в первую очередь.

«Устойчивость к антибиотикам продолжает представлять серьезную угрозу для мирового здравоохранения, но такие прорывы открывают многообещающий путь вперед. Наше исследование показывает потенциал совместных междисциплинарных исследований для решения некоторых из наиболее неотложных и сложных проблем, с которыми мы сталкиваемся в настоящее время в современной медицине», — говорит профессор Шен.