Новая разработка поможет бороться с бактериями, устойчивыми к антибиотикам

Ученые из корпорации IBM и Института биоинженерии и нанотехнологий (Institute of Bioengineering and Nanotechnology, IBN) представили антибактериальный гидрогель, способный проникать сквозь мертвые клетки биопленок и полностью уничтожать устойчивые к антибиотикам бактерии при контакте с ними. Синтетический гидрогель, который самопроизвольно формируется при нагревании до температуры тела, является первым в своем роде биоразлагаемым, биосовместимым и нетоксичным противомикробным препаратом, что делает его идеальным средством для борьбы с серьезными угрозами здоровью персонала, посетителей и пациентов больниц. 

Бытовые средства, которые можно найти в каждом доме – например, хлорные отбеливатели и спиртовые растворы – содержат антибактериальные препараты, которые служат для дезинфекции разных поверхностей. Лечение лекарственно-устойчивых инфекций кожи или внутренних инфекционных заболеваний, однако, является задачей гораздо более сложной, чем дезинфекция больничной палаты или медоборудования, поскольку обычные антибиотики становятся все менее эффективными, и многие бытовые дезинфицирующие средства не подходят для применения в медицине. 

Специалисты IBM Research совместно с коллегами из IBN разработали синтетический противомикробный гидрогель, состоящий более чем на 90% из воды. Новая разработка может быть использована при создании кремов для лечения кожных инфекций и препаратов для инъекционной терапии, а также дезинфекции катетеров, зондов и медицинских трубок, быстрого заживления ран в хирургии и антибактериальной обработки имплантатов в стоматологии. 

Появление микробных биопленок, способных колонизировать практически любую ткань и поверхность, сопутствует развитию более 80% всех инфекций, особенно в случаях, связанных с применением медицинских инструментов и оборудования. Биопленки, сформированные мертвыми клетками микроорганизмов, являются одним из ключевых факторов, вызывающих развитие внутрибольничных инфекций, которые входят в первую пятерку основных причин смертности в Соединенных Штатах, и на которые приходится до 11 млрд. долларов ежегодных расходов в области здравоохранения. 

Несмотря на применение передовых средств стерилизации и асептической обработки, инфекции, обусловленные использованием медицинских устройств, до сих пор не искоренены. Это связано, в числе прочего, с развитием бактерий, устойчивых к лекарственным препаратам. По данным Национального центра по контролю и профилактике заболеваний (CDC), устойчивость бактерий к антибиотикам ежегодно обходится США в 20 млрд. долларов затрат на здравоохранение и в 8 млн. дополнительных дней, в общей сложности проведенных пациентами в больницах. 

Исследователям удалось создать макромолекулы полимерного вещества – молекулярную структуру, содержащую большое число атомов, которая сочетает в себе такие свойства как растворимость в воде, положительный заряд и способность к биологическому разложению. При смешивании с водой и нагревании до температуры тела полимеры самостоятельно формируются в синтетический гель, которым легко манипулировать. 

Эта способность связана с межмолекулярными взаимодействиями, которые создают эффект «молекулярной застежки-молнии». Небольшие сегменты новых полимеров соединяются друг с другом подобно тому, как сцепляются зубцы молнии, обеспечивая загустевание водного раствора до состояния эластичных гидрогелей. Обладая многими свойствами водорастворимых полимеров и, в то же время, не являясь легкорастворимыми, такие вещества могут сохраняться в физиологических условиях, демонстрируя, при этом, антибактериальную активность. 

«Этот гель предлагает принципиально иной подход к борьбе с бактериальными биопленками. По сравнению с возможностями современных антибиотиков и гидрогелей, новая технология несет в себе громадный потенциал, — подчеркнул Джеймс Хедрик (James Hedrick), исследователь из IBM Research, который занимается передовыми органическими материалами. — Эта технология появилась очень своевременно, когда традиционные химические и биологические методы борьбы с лекарственно-устойчивыми бактериями и инфекционными заболеваниями становятся все менее эффективными». 

При нанесении гидрогеля на зараженную поверхность или открытую рану, его положительный заряд притягивает все отрицательно заряженные клеточные мембраны микроорганизмов – подобно тому, как мощная гравитация притягивает материю в черную дыру. Однако, в отличие от большинства антибиотиков и гидрогелей, которые нацелены на внутреннюю биомеханику бактерий для предотвращения их размножения, новый гидрогель убивает бактерии путем разрушения мембраны, что исключает возникновение любой формы резистентности. 

«Мы были вынуждены разработать более эффективное средство против устойчивых к воздействию антибиотиков бактерий из-за смертельной угрозы заражения быстро мутирующими микробами и отсутствия новых антимикробных лекарственных препаратов. Используя недорогие и универсальные полимерные материалы, разработанные совместно с IBM, мы готовы начать активную борьбу с лекарственно-устойчивыми биопленками. Новая технология поможет улучшить медицинское обслуживание и благотворно повлиять на здоровье людей», — считает Йи-Ян Янг (Yi-Yan Yang), руководитель научной группы из Института биоинженерии и нанотехнологий, Сингапур. 

Исследовательская программа IBM по полимерам для наномедицины, которая была запущена в IBM Research всего четыре года назад с целью улучшения здоровья людей, опирается на многолетний опыт разработки материалов, традиционно используемых в полупроводниковых технологиях. Новое научное достижение расширит горизонты совместной программы IBM и IBN, и предоставит ученым возможность одновременно использовать несколько разных методов для создания новых материалов, которые могут найти применение в медицине и фармакологии. 

Сотрудничество такого масштаба между отраслью и научными кругами объединяет лучшие умы и ресурсы целого ряда исследовательских организаций для того, чтобы сделать решения для практической наномедицины реальностью.Информация об исследовании недавно опубликована в рецензируемом экспертами журнале Angewandte Chemie. 

Вопросы, ответы, комментарии