Победа за нано: устойчивые микробы дезинфицируют «шариками» и алмазами
Российские ученые синтезировали молекулярный антимикробный комплекс, перспективный для создания средств дезинфекции сложных и деликатных материалов. Не исключено, что в будущем препараты на его основе смогут стать эффективной заменой антибиотикам. Кроме того, в состав композиции включены наноалмазы, способные к люминесценции. За счет этого новая макромолекула может стать базой для разработки средств лечения раковых опухолей методом фототерапии. Эксперты рассказали, что нужно предпринять, чтобы довести разработку до внедрения в медицине и других сферах.
Чувствительны к свету
Способ борьбы с бактериями, невосприимчивыми к антибиотикам, разработали ученые из национального исследовательского центра «Курчатовский институт» — Петербургский институт ядерной физики (НИЦ «КИ» — ПИЯФ) им. Б.П. Константинова совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного и Оренбургского медицинского университетов.
Метод основан на свойствах веществ, которые становятся активными под воздействием света. В качестве таковых ученые использовали фуллерены — сложные молекулы углерода сферической формы размером около нанометра. Эти ультрамалые «шарики» легко проникают в клетку и преобразуют видимый свет в энергию, которая возбуждает активные формы кислорода и окисляет внутреннюю среду клетки. В результате патогенный микроорганизм погибает.
Для усиления эффекта ученые соединили фуллерены с наноалмазами. Они стабилизируют действующее вещество в биологической среде и повышают антимикробную активность комплекса. Еще один важный компонент — это медицинский полимер, который служит моделью природных макромолекул и выполняет роль переносчика биологически активных веществ (поливинилпирролидон).
Новый молекулярный комплекс был разработан в НИЦ «КИ» — ПИЯФ специалистами лаборатории нейтронных физико-химических исследований под руководством Василия Лебедева и лаборатории экспериментальной генетики, возглавляемой Светланой Саранцевой. Синтезировала молекулярную структуру инженер-технолог Людмила Лисовская. Воздействие нового препарата на патогенные микроорганизмы впервые исследовали сотрудники кафедры микробиологии, вирусологии, иммунологии Оренбургского медицинского университета во главе с заведующей Еленой Михайловой.
Как рассказала «Известиям» специалист отделения молекулярной и радиационной биофизики НИЦ «КИ» — ПИЯФ Ольга Большакова, в ходе исследований оценили способность полученной структуры противодействовать бактериям и микроскопическим грибам. Во всех случаях она показала высокий результат. Также макромолекула подтвердила эффективность против формирования биопленок (сложных сообществ бактерий), с которыми не всегда могут справиться традиционные антибиотики.
— Все составляющие комплекса обладают выраженным антимикробным действием, но их совместный эффект оказался гораздо сильнее, — отметила Ольга Большакова.
По мнению заведующего лабораторией физики кластерных структур Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Александра Вуля, действие нового молекулярного комплекса основано на том, что фуллерены легко прикрепляются к клеточной стенке микробов, влияют на ее целостность и, проникая внутрь, вызывают окислительный стресс. При этом фуллерены могут накапливаться в оболочке. Антимикробную активность наноалмазов тоже связывают с влиянием на клеточную стенку.
Новое поколение препаратов
Перспективу дальнейшей работы с новым комплексом ученые видят в создании на его основе альтернативы известным современным противобактериальным препаратам. К примеру, антибиотикам.
— Поиск новых антимикробных агентов становится всё более актуальной задачей. Это связано с растущей невосприимчивостью бактерий к используемым в настоящее время препаратам. Фуллерены могут стать средством для эффективного противодействия микробным инфекциям, — пояснила Ольга Большакова.
Она отметила, что перспективность использования углеродных наночастиц (фуллеренов и алмазов) в этом качестве основана на специфике повреждений клеточной структуры, к которым микробы еще не адаптировались.
Также ученые считают, что на основе макромолекулы могут быть созданы средства дезинфекции нового поколения, которые смогут бороться с загрязнениями, устойчивыми к традиционным препаратам. С такой проблемой постоянно сталкиваются медучреждения и лаборатории. Еще одной важной сферой их применения может стать обеззараживание поверхностей, требующих особо бережного обращения (например, экспонатов в музее).
— Мы живем в эпоху заката золотого века антибиотиков. Они уже не могут полностью защитить человечество от инфекций. Поэтому приветствуется любая альтернатива. Будь то фуллерены, антитела, бактериофаги (вирусы для бактерий. — «Известия») и прочие антимикробные агенты. Они увеличивают период безопасного существования человечества, — прокомментировал исследование ученых старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета Павел Назаров.
Однако он отметил, что от этапа обнаружения полезных свойств у биоструктур до создания медицинского препарата на их основе предстоит пройти долгий путь, который включает лабораторные и клинические исследования, патентование и сертификацию. В частности, нужно изучить, каков механизм действия нового комплекса. Бактерии имеют различные по структуре клеточные стенки и разные метаболические пути. Поэтому для каждого вида требуется разный тип воздействия для их уничтожения.
В настоящее время решением этих задач занимается коллектив кафедры микробиологии Оренбургского государственного медицинского университета во главе с заведующей Еленой Михайловой. Деятельность в лаборатории вуза курирует ректор Игорь Мирошниченко.
Способ лечения рака
Еще один вектор исследований новой макромолекулы связан с разработкой на ее базе средств для адресной противоопухолевой терапии. Метод основан на способности наноалмазов под действием рентгеновских лучей люминесцировать, то есть светиться. Внутри человеческого организма этот свет будет возбуждать фуллерены, которые, в свою очередь, спровоцируют работу активных форм кислорода по окислению и уничтожению раковых клеток.
Ольга Большакова предполагает, что методика не будет токсична для человека в связи с тем, что действующие вещества неактивны в темноте, а рентгеновское излучение, возбуждающее их, будет направлено непосредственно на участки, пораженные опухолью.
— Универсальность комплекса открывает широкие возможности для применения фуллеренов в медицине. В частности, в качестве средств адресной доставки лекарств к пораженным участкам. Разработка имеет преимущества перед многими другими типами наночастиц и нанокристаллическими системами, которые исследуются в настоящее время, — выразила свою точку зрения научный сотрудник научного исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» Университета науки и технологий МИСИС Кристина Котякова.
Александр Вуль, в свою очередь, отметил, что в ближайшей перспективе следует сосредоточиться на разработке дезинфекторов нового поколения, а также средств для защиты от кожных инфекций.
— Создание таких препаратов проще, так как они не предназначены для введения внутрь организма и не требуют детальных проверок. Однако и в этом направлении следует провести необходимые исследования, чтобы подтвердить эффективность новых дезинфекторов по сравнению с аналогами, — рассказал ученый.
Он добавил, что разработка лекарственных средств, действующих внутри организма, — это цель с дальним горизонтом реализации. В мире на создание коммерчески успешного препарата медицинские корпорации в среднем затрачивают 8–10 лет. Также исследования требуют значительных финансовых вложений.
