Бактериальные биопленки являются источником инфекций с серьезными последствиями для здоровья людей и экономики, создавая проблемы в медицинских учреждениях, на предприятиях пищевой промышленности и в сельском хозяйстве. Например, бактериальные биопленки портят воду для сельхозживотных и полива растений. Лучший способ борьбы с биопленками — предотвратить их образование. Обработка поверхностей покрытиями, содержащими антиадгезионные, антимикробные или бактерицидные соединения (например, антимикробные вещества и тяжелые металлы), помогает. Однако, в зависимости от поверхности и области применения, такие ограничения, как устойчивость к антимикробным препаратам, токсичность и истощение химического вещества с течением времени, могут снизить их эффективность. А это значит, что пришло время для новых решений.
Более десяти лет назад Елена Иванова, доктор философии, заслуженный профессор Мельбурнского технологического института, рассматривала изображение крыла цикады, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Крыло было погружено в суспензию клеток Pseudomonas aeruginosa и инкубировано в течение ночи. Иванова заметила, что бактерии прилипли к крылу, но выглядели они не очень хорошо.
«Было очевидно, что бактерии были нездоровы; их морфология изменилась, и они чувствовали себя некомфортно. Поэтому мы начали разбираться, пытаясь понять, что происходит», — сказала она.
Оказалось, бактериям было не по себе, потому что они были мертвы. Путь Ивановой к этому моменту был обусловлен более широким желанием понять сверхгидрофобные (чрезвычайно водостойкие) поверхности. Ее работа началась с листьев лотоса (яркий пример сверхгидрофобности, при которой капли воды соскальзывают с листьев, унося с собой загрязнения). С тех пор лаборатория обратилась к другим примерам в природе, чтобы изучить, как работают эти отталкивающие поверхности, особенно в контексте микробных загрязнений.
Встречайте цикад. Известные своими многолетними циклами размножения и порой оглушительным пением, эти насекомые также обладают крыльями, отталкивающими воду, чтобы удалять грязь и мусор. Но когда дело дошло до выделения бактерий, лаборатория Ивановой обнаружила, что здесь играет роль нечто большее, чем просто каплевидное образование капель воды. «Как всегда в науке, всё оказывается неожиданностью», — отметила она.
Крылья насекомых покрыты крошечными выступами, или наностолбиками. Иванова и ее коллеги показали, что эти наностолбики уничтожают P. aeruginosa, нанесенные на крылья цикад, в течение трех минут.
Дополнительные микроскопические эксперименты выявили механизм: когда клетки приземляются на наностолбики, незакрепленные части клетки провисают между столбиками, растягивая мембрану до тех пор, пока она не порвется.
«На самом деле трещина образуется прямо между наностолбиками», — сказала Иванова. Примечательно, что когда на крылья наносилось золотое покрытие, изменяющее их химический состав, их антибактериальные свойства оставались неизменными. Этот результат показал, что цикады предотвращают бактериальное загрязнение своих крыльев механическими и структурными, а не химическими способами.
Бактерицидные наночастицы были обнаружены на крыльях других насекомых, таких как стрекозы, а также на коже ящериц— гекконов. Природа снова и снова демонстрирует, что эффективный способ борьбы с микробами — это их уничтожение путем прокалывания. Этот физический способ уничтожения бактерий вдохновил таких исследователей, как Иванова, на разработку наноструктурированных материалов, которые могли бы помочь уменьшить образование биопленок на медицинских приборах, таких как катетеры, или на предприятиях пищевой и сельскохозяйственной промышленности.
Но как превратить знания в механобактерицидные поверхности? Различные материалы, такие как металлы (например, медь, титан), стекло и полимеры, могут быть покрыты нановыступами самых разнообразных форм — от столбиков и шипов до шипиков. Выступы создаются с помощью различных методов наноизготовления; например, их можно вытравить на поверхностях лазером или вырастить в виде кристаллов в условиях высокого давления и нагрева.
Несмотря на эти различия, существует оптимальный баланс высоты и расстояния между выступами. Наноструктуры не должны быть слишком высокими или слишком низкими. Они не должны быть слишком редкими, чтобы бактерии почти не соприкасались с ними. Но они также не должны быть слишком плотными, так как это может создать ситуацию «ложе из гвоздей», когда из-за большого количества точек давления клетка будет лежать сверху, не пострадав.
«Для достижения максимальной бактерицидной эффективности необходимо обеспечить определенную плотность, высоту и диаметр наночастиц, а это непросто в контексте нанопроизводства», — пояснила Иванова.
Наноструктуры часто самоорганизуются (они спонтанно собираются в определенные формы благодаря молекулярным взаимодействиям и ограничениям), что затрудняет контроль над получающимся рисунком. Перед проверкой эффективности уничтожения бактерий на поверхности необходимо использовать сканирующий электронный микроскоп, чтобы увидеть, какой рисунок в итоге получился.
Структурные различия между грамотрицательными и грамположительными бактериями также означают, что, как правило, существует значительная вариация в эффективности той или иной поверхности против микробов каждой категории.
Точный механизм уничтожения бактерий наноструктурированными поверхностями является предметом активных исследований. Когда бактерия оседает на массиве плотных, тупых наностолбиков, её мембрана может растягиваться и разрываться, как это происходит с крыльями цикад. Некоторые поверхности, например, изготовленные из графена, имеют слои наноструктур, похожих на ножи, которые прокалывают и разрезают бактериальные клетки.
Вместо того чтобы разрушать или уничтожать клетки, механобактериальные поверхности могут также вызывать их саморазрушение. Наностолбики могут запускать стрессовую реакцию, которая заканчивается запрограммированной гибелью клеток; сигналы, выделяемые стрессированной клеткой, могут также вызывать саморазрушение соседних клеток.
Лаборатория Ивановой продемонстрировала нечто подобное с Candida albicans, где титановая поверхность с наностолбиками вызвала апоптоз гриба и предотвратила его размножение. Таким образом, механобактерицидные поверхности полезны не только против бактерий, но и против других микробов, таких как грибы и вирусы (например, вирус гриппа).
Однако есть одна загвоздка: производство наноструктурированных материалов в больших масштабах затруднительно. Это ограничивает возможности изготовления таких материалов для различных целей. Чжэцзянь Цао, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Мияковича в Технологическом университете Чалмерса, в качестве примера привел свою работу по выращиванию вертикальных наночастиц графена (которые проникают в бактерии, поселяющиеся на них).
«Когда мы пытаемся вырастить вертикальный графен, нам нужно нагреть установку выше 700 °C, а это значит, что выбор подложек очень ограничен», — сказал он, отметив, что такие материалы, как полимерный пластик, сгорят в таких высоких температурах. Кроме того, этот процесс не очень экологичен с точки зрения энергопотребления.
Однако не всё потеряно. В недавнем исследовании Цао и его коллеги предложили обходной путь, который включает в себя сочетание механического уничтожения бактерий с некоторыми химическими методами, удостоенными Нобелевской премии.
Команда исследователей показала, что механобактерицидные поверхности могут быть основаны на металлоорганических каркасах (МОК) — кристаллических молекулярных структурах, состоящих из ионов/кластеров металлов, связанных с органическими молекулами. МОК — тема Нобелевской премии по химии 2025 года — обладают высокой адаптивностью (то есть их геометрию и химический состав можно легко модифицировать) и, что важно, уже сейчас могут синтезироваться в больших объемах.
«С ними можно экспериментировать множеством способов. Можно настраивать ионы металлов и функционализировать органическую молекулу. Тогда вы получите различные свойства вашего MОК. Вот почему, я думаю, МОКполучили название «комнаты для химии», — сказал Цао, имея в виду пористую структуру молекул.
В своем исследовании команда Цао использовала МОКи, состоящие из ядра на основе циркония с железными шипами, которые вместе напоминают фишку из игры в валеты. Для создания механобактерицидной поверхности МОКи либо выращивали непосредственно на подложке, либо наносили сверху в полностью сформированном виде.
«Таким образом, масштабирование становится проще, потому что тогда можно наносить МОК методом капельного осаждения на любую подложку», — поделился он.
Поверхности можно создавать при более низких температурах, чем, например, вертикальный графен, что также является преимуществом. Поверхности на основе MОК обладали бактерицидным действием как против грамотрицательных, так и против грамположительных бактерий (например, Escherichia coli и Staphylococcus epidermidis) при растяжении, прокалывании или повреждении клеток, при этом поверхность, полученная методом капельного нанесения, показала наибольшую эффективность уничтожения (~83%) благодаря более полному покрытию поверхности наношипами.
Другие исследователи работают над масштабированием наноструктурированных поверхностей с использованием альтернативных механизмов. Например, Иванова и ее коллеги создали полимерные пленки с наностолбиками, которые можно использовать в качестве антибактериальных упаковочных материалов, с большей возможностью масштабирования.
«Я уверена, что достижения в области нанотехнологий позволят нам не только добиться точного воспроизведения конкретных наночастиц на различных типах наноповерхностей, но и масштабировать производство от лабораторных условий до выхода на рынок», — сказала она.
Очевидно, что механобактерицидные поверхности являются многообещающим инструментом в арсенале средств борьбы с биопленками. Теперь же необходимо проработать детали, которые, как и масштабируемость, препятствуют их широкому применению. Например, накопление бактериальных остатков на наноструктурах может со временем ограничивать бактерицидную эффективность.
Интеграция функций самоочищения может помочь поддерживать наноструктуры в состоянии готовности к действию. Цао и его коллеги работают над смешиванием своих MOК с биоразлагаемым полимером; когда бактерии приземляются/гибнут, они разлагают полимер, обнажая новый слой MOК под ним.
«Таким образом, мы стремимся обеспечить долговременную защиту», — сказал Цао. Длительность сохранения защитных свойств поверхности зависит от количества слоев MOК и их толщины.
Иванову меньше волнует наличие бактериальных остатков на наноструктурированных поверхностях (исследования в ее лаборатории показывают, что остатки бактериальных клеток на поверхностях настолько малы, что просто уплывают), чем повышение их общей бактерицидной эффективности.
«В большинстве случаев поверхности… могут убивать бактериальные клетки, но не на 90% или 100%; они убивают, может быть, 50% или 40%», — отметила она. По ее мнению, даже 80–90% эффективности недостаточно. «Мы стремимся к полному уничтожению бактерий на поверхностях».
Сочетание механических механизмов уничтожения микроорганизмов с химическими агентами или облучением ближним инфракрасным светом может повысить эффективность против различных организмов. Для оптимизации механобактерицидных поверхностей под различные микробные цели необходимо глубокое понимание принципов их работы.
Тем не менее, вопрос не в том, «будут ли» наноструктурированные поверхности соответствовать всем требованиям для применения в «реальном мире», а в том, «когда». Исследователи едва коснулись поверхности того, что возможно с помощью нанотехнологий. Многие из этих возможностей до сих пор неясны даже для тех, кто глубоко разбирается в этой области — и в этом вся прелесть.
«Для большинства из нас в науке самые захватывающие результаты — это неожиданные события, — сказала Иванова. — Иногда ты ожидаешь чего-то одного, а получаешь совершенно другое — и, возможно, это даже интереснее».
Источник: American Society for Microbiology. Автор: Мадлен Баррон.
На фото: крылья цикад покрыты наностолбиками, которые убивают бактерии. Источник: Qu, C., et al./Scientific Reports, 2023 via a CC BY 4.0 license