Поверхность с наноразмерными шипами обладает противовирусной активностью

Рис. 1. Обложка журнала ACS Nano, в котором была опубликована обсуждаемая статья. На рисунке, созданном при помощи нейросетей, показан вирус парагриппа на поверхности с наношипами. Изображение с сайта pubs.acs.org

Международному коллективу ученых удалось создать материал на основе кремния, покрытый наноразмерными острыми шипами. Такая нанотекстурированная поверхность способна убивать осевшие на нее вирусы парагриппа, механически прокалывая их оболочки. За 6 часов инкубации материал снижает количество жизнеспособных вирусов на 96%, что делает его перспективным для применения в больницах, лабораториях и других учреждениях, где существует повышенная опасность передачи инфекционных заболеваний.

Прокатившаяся по миру пандемия коронавируса напомнила, как важны механические и химические способы уничтожения вируса на поверхностях. На годы в нашу жизнь пришли санитайзеры и плакаты, напоминающие о мытье рук. И в очередной раз мы вспомнили, что опаснее всего дверные ручки, ленты транспортеров в супермаркетах, перила эскалаторов и прочие поверхности, за которые ежедневно хватаются сотни людей, превращая их в гигантский хаб-вирусообмениик. В одночасье вопрос создания поверхностей, способных убивать вирусы сами по себе, без расхода антисептиков и необходимости их постоянного применения, оказался снова актуальным.

Идею, как часто бывает, подала сама природа — а конкретно, насекомые. Бактерии и грибы представляют для них, как и для человека, угрозу — и, не имея адаптивного иммунитета, они вынуждены эволюционно находить другие решения. Ситуация усугубляется тем, что хитиновый экзоскелет, включая крылья, не промывается гемолимфой, поэтому иммунные белки бесполезны против бактерии, решившей прилипнуть к крылу, размножиться и им полакомиться. Похоже, что один из ответов насекомых на эту угрозу — нанотекстурированные поверхности. Например, известно, что крылья стрекоз и цикад покрыты очень мелкими шипами высотой несколько сотен нанометров (рис. 2; C. Bandara et al., 2017. Bactericidal Effects of Natural Nanotopography of Dragonfly Wing on Escherichia coli, E. Ivanova et al., 2012. Natural Bactericidal Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings). Эти шипы эффективно уничтожают бактерии, имевшие неосторожность прилипнуть к такой поверхности, — просто механически прокалывая их мембрану (см. новость Крылья цикад покрыты бактерицидной микроскульптурой, «Элементы», 08.04.2013). Фактически получается естественный пассивный иммунитет к бактериальной инфекции за счет текстуры крыльев.

Рис. 2. Наноразмерные шипы на поверхности крыльев стрекозы. Изображение с сайта vast.gov.vn

Вдохновленные такой сверхспособностью насекомых, ученые начали создавать искусственные материалы с бактерицидными свойствами (J. Jenkins et al., 2020. Antibacterial effects of nanopillar surfaces are mediated by cell impedance, penetration and induction of oxidative stress). А в начале 2024 года группа исследователей под руководством профессора Елены Ивановой (Elena P. Ivanova) из Мельбурнского королевского технологического института (Австралия) разработала и протестировала аналогичный нанотекстурированный материал для защиты от вирусов. Именно эта группа более 10 лет назад описала наношипы на крыльях цикад, а в прошлом году они же изобрели нанотекстуру, убивающую грибы рода Candida (P. Le et al., 2023. Apoptosis of Multi-Drug Resistant Candida Species on Microstructured Titanium Surfaces). Результаты их нового исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Для создания такого материала исследователи использовали технологию реактивного ионного травления. Кремниевая поверхность бомбардировалась химически активной плазмой, содержащей фторид-ионы и кислород. Шипы возникали из-за причудливой химической конкуренции между двумя процессами: образованием защитного слоя из фторидов кремния с одной стороны и удалением материала с поверхности активными формами кислорода с другой. Чрезвычайно малые неоднородности в соотношении этих процессов приводили к формированию острых пиков высотой в среднем чуть менее 300 нм — более чем в 15 раз меньше диаметра человеческого эритроцита! — и шириной примерно 1–2 нм (рис. 3).

Рис. 3. Вирус парагриппа на нанотекстурированной поверхности с шипами спустя один час после начала инкубации. Шипы уже начали впиваться в него, но это пока не очень заметно — вирусная частица еще сохраняет форму. Увеличение — 65 000 раз. Изображение с сайта rmit.edu.au

Противовирусные свойства поверхности были испытаны на вирусе парагриппа человека 3-го типа, вызывающем гриппоподобное ОРВИ. Это шарообразный вирус, покрытый суперкапсидом, диаметром 100–420 нм, что вполне соответствует размеру шипов поверхности. Материал с шипами и контрольный материал без шипов, не подвергнутый реактивному ионному травлению, инкубировались с вирусами парагриппа на протяжении 1, 3 и 6 часов, а затем с поверхностей брались смывы и анализировались методом бляшкообразования — то есть засевом на клеточную культуру с подсчетом образовавшихся бляшек из мертвых клеток.

Спустя час инкубации на нанотекстурированной поверхности сохранилось на 74% меньше жизнеспособных вирусов, чем на контрольном материале. Спустя 3 часа разница выросла до 85%, а спустя 6 часов — на 96%. Очевидно, что поверхность с шипами оказалась убийцей вирусов.

Сканирующая электронная микроскопия (а также ее более точная модификация с фокусированным ионным лучом) выявила механизм такого вирулицидного действия. Как оказалось, микроскопические наноколючки прокалывали вирусы, проникая внутрь суперкапсида и приводя к постепенному механическому разрушению вируса. На протяжении 6 часов прилипшие к поверхности вирусы постепенно теряли форму и спустя 6 часов оказывались полностью разрушенными (рис. 4). Любопытно, что ПЦР смывов с поверхности оставался положительным — РНК вируса сохранялась. Но вирус с разорванным суперкапсидом уже не способен заразить даже культуру клеток, не говоря о человеке.

Рис. 4. Спустя шесть часов вирусы на поверхности с наношипами напоминали лопнувшие воздушные шарики. Cудя по моделированию физики процесса, с ними примерно это и происходило. Изображение с сайта rmit.edu.au

Интересно, что поверхность с шипами проявляла и бактерицидный эффект — правда, менее впечатляющий. На такой поверхности погибало 20% клеток синегнойной палочки и 30% клеток золотистого стафилококка — это не очень большой результат. Но фото синегнойной палочки с дырками в мембране в электронном микроскопе (рис. 5) явно стоит того, чтобы его увидеть.

Рис. 5. Клетки синегнойной палочки, побывавшие на нанотекстурированной поверхности, носят на себе явные следы воздействия шипов в виде отверстий в мембране, обозначенных синими стрелками. Для бактерии такие повреждения несовместимы с жизнью. Рисунок из обсуждаемой статьи

В заключении статьи авторы отметили, что 96-процентного снижения заразности вируса на поверхности с наношипами достаточно для того, чтобы существенно снизить вирусную нагрузку, вызванную каплями выдыхаемого зараженными людьми аэрозоля вирусов. Эффективность такого снижения напрямую зависит от вида вируса и его инфекционной дозы — так что требуется еще много исследований с разными геометриями шипов и с разными вирусами. Но даже сама идея наконец сделать поверхности в больницах, лабораториях и общественных уборных безопасными — просто изготавливая их из нанотекстурированного материала — чрезвычайно интересна.

Источник: Samson W. L. Mah, Denver P. Linklater, Vassil Tzanov, Phuc H. Le, Chaitali Dekiwadia, Edwin Mayes, Ranya Simons, Daniel J. Eyckens, Graeme Moad, Soichiro Saita, Saulius Joudkazis, David A. Jans, Vladimir A. Baulin, Natalie A. Borg, Elena P. Ivanova. Piercing of the Human Parainfluenza Virus by Nanostructured Surfaces // ACS Nano. 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07099.

Георгий Куракин