Полиэлектролит TESET убивает устойчивые к лекарствам микробы наповал

Рис. 1. Зависимость выживаемости метициллинрезистентного золотистого стафилококка от времени при контакте с двумя видами сополимеров семейства TESET, которые различаются процентом полимерных звеньев, содержащих сульфогруппы –SO₃H (эти группы имеются в 26% звеньев полимера TESET26 и 52% звеньев полимера TESET52). Показана также структурная формула этих полимеров (гидрофильные и гидрофобные участки сополимера обозначены синим и красным, соответственно). Минимальный предел обнаружения (MDL) задан как 10⁻⁴% от исходного количества бактерий. Рисунок из обсуждаемой статьи в Materials Horizons

Исследователи из США обнаружили, что используемый в химической промышленности полимер TESET, содержащий сульфогруппы, проявляет уникальные противобактериальные свойства. Значительно понижая рН среды вокруг себя, он за очень короткое время способен убивать патогенные микроорганизмы, включая устойчивые к антибиотикам штаммы.

Устойчивость патогенных микроорганизмов к лекарственным препаратам становится все более серьезной угрозой для здравоохранения во всем мире (см., например, статьи Майи Петровой и Алексея Ржешевского Резистентность бактерий: опасность, которая рядом и R. Laxminarayan, D. Heymann, 2012. Challenges of drug resistance in the developing world). За годы применения терапии, основанной на использовании антибиотиков, некоторые микробы благодаря случайным мутациям переживали контакт с предназначенными для борьбы с ними химическими веществами, а их потомство в итоге смогло выработать механизмы, защищающие его от действия антибиотиков.

Примерами устойчивых к действию антибиотиков патогенных микроорганизмов, или, как их еще называют, «супербактерий», являются метициллинрезистентный золотистый стафилококк (S. aureus, MRSA), ванкомицинрезистентный энтерококк (E. faecium, VRE) и карбапенемрезистентный ацинетобактер (A. baumannii, CRA) (см. A. N. Neely, M. P. Maley Survival of enterococci and staphylococci on hospital fabrics and plastic). Проблема распространения лекарственно-устойчивых микроорганизмов усугубляется ошибками медицинской диагностики (из-за которых лечат не от того, от чего надо), низким качеством профилактики заболеваний и избыточным применением антибиотиков. Одним из симптомов нарастающего кризиса здравоохранения, связанного с устойчивостью к антибиотикам, можно назвать увеличение числа внутрибольничных инфекций, представляющих серьезную угрозу для пожилых и людей с ослабленным иммунитетом. О механизмах выработки устойчивости к лекарственным препаратам и связанных с этим проблемах можно подробнее прочитать в новости Синтезирован суперантибиотик, к которому не вырабатывается резистентность («Элементы», 06.06.2017).

Каждый год инфекции, вызванные лекарственно-устойчивыми микроорганизмами, уносят жизни десятков тысяч человек в развитых странах. Медицинская статистика позволяет сделать неутешительный прогноз — к 2050 году смертность от инфекций, вызванных «супербактериями» может превысить показатель смертности от онкологических заболеваний (J. O’Neill, 2016. Tackling drug-resistant infections globally: final report and recommendation).

Особенно остро проблема инфекций, вызываемых лекарственно-устойчивыми микробами, стоит, как ни странно, в больницах: в них много пациентов с ослабленной иммунной системой, в которых микробы живут и размножаются, а высокая «концентрация» разных методов лечения создает усиленный эволюционный пресс, буквально вынуждающий бактерии повышать свою резистентность. Среди так называемых внутрибольничных инфекций многие связаны с перечисленными выше «супербактериями». Пути заражения ими разные: некоторые передаются воздушно-капельным путем, некоторые — при непосредственном контакте (с ранами и слизистыми оболочками). Поэтому важно как можно эффективнее обеззараживать помещения лечебных учреждений, в том числе — и стерилизовать разнообразные поверхности. В настоящее время применяется несколько подходов (рис. 2).

Рис. 2. Механизмы стерилизации поверхностей: a — облучение ультрафиолетом или применение реагентов; b — использование наночастиц металлов или их оксидов; c — напыление, в состав которого входят фоточувствительные молекулы, при облучении видимым светом образующие синглетный кислород ¹O₂; d — покрытие функционализированными полимерами, e — катионные сшитые гидрогели или полимеры; f — анионные блок-сополимеры, снижающие значение рН вблизи своей поверхности. Рисунок из обсуждаемой статьи в Materials Horizons

Самый простой способ стерилизации — регулярная обработка поверхности УФ-излучением или дезинфицирующими химическими веществами (хлорная известь, перекись водорода, поверхностно-активные вещества), однако такая обработка может повредить поверхность или даже стать дополнительным фактором риска для здоровья человека.

Следующий по распространенности способ — закрепление на поверхности наночастиц металлов (серебра или золота) или оксидов металлов (ZnO или TiO₂). Наночастицы играют роль бактерицидов. Они уничтожают патогены, разрушая клеточную мембрану бактерии или грибка, благодаря чему у микроорганизмов нет возможности выработать к ним устойчивостью (A. P. Richter et al., 2015. An environmentally benign antimicrobial nanoparticle based on a silver-infused lignin core). Однако такой подход требует осторожности — наночастицы могут «утечь» в окружающую среду и либо стать элементом пищевых цепей, либо непосредственно попасть в организм человека, а пока перспектива неконтролируемого долгосрочного контакта живых организмов с нанообъектами вызывает у многих опасения.

Эффективным и надежным методом удаления патогенных микроорганизмов можно назвать фотодинамическую активацию поверхности. Суть этого метода заключается во введении в полимерную поверхность фоточувствительных молекул, которые при облучении видимым светом способствуют переходу молекул кислорода воздуха в активный синглетный кислород (¹O₂). Эта форма кислорода может интенсивно окислять любые органические вещества (в том числе и образующие мембраны клеток), то есть это — эффективный микробиоцид общего действия, к которому невозможно выработать резистентность (E. Feese et al., 2011. Photobactericidal porphyrin-cellulose nanocrystals: synthesis, characterization, and antimicrobial properties), однако производство поверхностей, способных к генерированию синглетного кислорода, пока стоит дорого. Еще один недешевый способ удалять патогенные микроорганизмы с поверхности — изготовление таких поверхностей из полимеров, которые сами по себе губительны для бактерий или грибков (A. E. Ozcam et al., 2012. Generation of functional PET microfibers through surfaceinitiated polymerization).

Одно из перспективных направлений в создании антибактериальных поверхностей — применение полиэлектролитов — полимерных молекул, способных в водной среде распадаться на много маленьких ионов и макромолекулярные ионы, на которых локализуется положительный или отрицательный электрический заряд. Этот заряд может взаимодействовать с заряженными участками клеточной мембраны патогенного микроорганизма, инициируя разрушение мембраны (L. B. Rawlinson et al., 2010. Antibacterial effects of poly(2-(dimethylamino ethyl)methacrylate) against selected Gram-positive and Gram-negative bacteria). Однако до настоящего времени на поверхности закрепляли только те полимерные электролиты, которые в присутствии воды набухают, образуя мягкие гидрогели — коллоидные структуры, своей консистенцией и прочностью похожие на холодец или кисель. Поскольку патогенные микроорганизмы обитают в воде, прочность таких антибактериальных поверхностей оставляет желать лучшего и они быстро разрушаются, что чрезвычайно неудобно для практического применения. (P. Li et al., 2011. A polycationic antimicrobial and biocompatible hydrogel with microbe membrane suctioning ability).

В новой работе исследователи из Университета Северной Каролины, работающие под руководством Ричарда Спонтака (Richard Spontak) и Резы Гилади (Reza Ghiladi), обнаружили, что противомикробными свойствами обладает полиэлектролит, который, в отличие от многих других полиэлектролитов, не образует непрочные гидрогели. Этим полимером оказался коммерчески доступный эластомер поли[трет-бутилстирол-b-(этилен-альт-пропилен)-b-(стиролсульфонат)-b-( этилен-альт-пропилен)-b-трет-бутилстирол], который продается под коммерческим наименованием TESET и применяется в водоочистке и для изготовления дышащих тканей (G. M. Geise et al., 2010. Characterization of a sulfonated pentablock copolymer for desalination applications). Бактерицидный эффект был изучен для двух марок сополимера, в которых сульфогруппы (–SO₃H) привиты к 26% и 52% звеньев цепи макромолекулы (TESET26 и TESET52, соответственно).

В воде присутствующие в полимере сильнокислотные сульфогруппы диссоциируют, в результате чего уровень pH в ближайшем окружении полимера понижается. Влияние значения pH на бактерии изучено хорошо. По своим предпочтениям в кислотности среды для роста и развития микроорганизмы делят на ацидофилы (нормальное для них значение рН лежит в диапазоне 1,0–5,5), нейтрофилы (5,5–8,0) и алкалофилы (живущие в щелочной среде с рН больше 8,0). И хотя разные микроорганизмы могут выживать в средах с разной кислотностью (в том числе и не характерной для их нормального развития), быстрое изменение уровня рН способствует механическому напряжению внешней мембраны бактериальной клетки, которого хватает, чтобы мембрана разрушилась, а бактерия погибла.

Исследователи показали (рис. 3), что полимеры TESET демонстрируют антибактериальную активность: обе марки за пять минут уничтожают 99,9999% и грамотрицательных, и грамположительных микроорганизмов, представляющих наибольшую опасность с точки зрения мультирезистентности к антибиотикам и развития внутрибольничных инфекций (E. faecium, S. aureus, K. pneumoniae, A. baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Enterobacter sp.). Различие между противомикробной активности полимеров небольшое, и преимущественно касается деталей — TESET52 более эффективен в дезактивации метициллинрезистентного золотистого стафилококка, а TESET26 лучше действует на штаммы S. aureus, чувствительные к действию метициллина.

Рис. 3. Выживаемость грамположительных (a) и грамотрицательных (b) бактерий в течение пяти минут в контрольном опыте (зеленый), при контакте с TESET26 (фиолетовый) и TESET52 (красный). Рисунок из обсуждаемой статьи в Materials Horizons

Результаты изучения биологической активности полимеров TESET позволяют говорить о том, что может существовать относительно простой и недорогой способ борьбы с «супербактериями» — противомикробные материалы, действие которых активируется обычной водой. Исследование токсикологии этих полимеров, однако, говорит о том, что они опасны и для клеток млекопитающих, то есть сами по себе TESET26 и TESET52 не смогут сразу подойти для изготовления противобактериальных поверхностей для больниц. Тем не менее, ученые не теряют уверенности, что разработка неопасных для человека противобактериальных полимеров — аналогов сульфонированных эластомеров TESET — дело ближайшего будущего.

Источник: 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.

Аркадий Курамшин