Главное — первый контакт

Устойчивость микробов к противомикробным препаратам ВОЗ назвала одной из десяти стоящих перед человечеством глобальных угроз для здоровья населения. 5 января 2025 года английская газета The Guardian опубликовала заявление бывшей главы здравоохранения Великобритании леди Салли Девис о том, что к 2050 году из-за супербактерий (бактерий, устойчивых к существующим антибиотикам) расстанутся с жизнью около 40 млн человек. Это значительно больше, чем ранее озвучивали эксперты ВОЗ. Особенно уязвимы перед супербактериями люди старше 70 лет.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Болезни, вызываемые устойчивыми к антибиотикам бактериями, лечить сложно и иногда вовсе невозможно. По оценкам, из 8–9 млн смертей, вызванных бактериальными инфекциями, 1,27 млн вызваны антибиотико-резистентными бактериями, а еще около 5 млн — осложнениями, причинами которых стала устойчивость бактерий к антибиотикам. Не обязательно, чтобы бактерия была устойчивой ко всем известным видам антибиотиков. Устойчивость к одному виду приводит к необходимости назначать больному второй антибиотик, который может вызывать побочные эффекты и удлиняет курс лечения, что ведет к еще большим побочным эффектам.

Поэтому большое значение приобретают альтернативные, не связанные с применением антибиотиков способы борьбы с болезнетворными бактериями, а также методы, которые сдерживают распространение болезнетворных микроорганизмов и препятствуют заражению людей. Один из них — создание бактерицидных (убивающих бактерии) и бактериостатических (не позволяющих бактериям размножаться) материалов.

Среди антибиотико-резистентных бактерий настоящими супермонстрами являются микробы, живущие в госпиталях, где их пытаются уничтожать самыми мощными антимикробными и дезинфицирующими средствами. Эти бактерии вызывают так называемые внутрибольничные инфекции — болезни, которыми люди заражаются в местах оказания медицинской помощи. Количество внутрибольничных инфекций резко выросло во время пандемии COVID-19.

О том, что материаловеды могут сделать для того, чтобы сдержать распространение инфекций в больницах, «Ъ-Науке» рассказал доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН Александр Емельяненко.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Скажите, пожалуйста, где в больницах находятся самые опасные места с точки зрения распространения инфекции?

— Многие больничные инфекции распространяются через так называемые поверхности касания — мебель, стены, ручки, кнопки лифтов, перила, медицинское оборудование, материалы и инструменты,— все, чего могут поочередно касаться больные и здоровые пациенты и персонал больниц. Поскольку болезнетворные бактерии мутируют и формируют устойчивость к антимикробным средствам быстрее, чем люди успевают эти средства совершенствовать, медицинские эксперты рекомендуют применять комплексный подход: одновременно разрабатывать вещества, которые будут усиливать действие антибиотиков и ослаблять развитие резистентности, и использовать немедикаментозные средства. Например, желательно создать материалы для поверхностей касания, которые обладают либо бактерицидным (то есть уничтожают бактерии), либо бактериостатическим (подавляют формирование биопленок и перенос бактериальных клеток) действием. Тогда микробы не будут передаваться от человека к человеку и антибиотики не потребуются.

Известно, что многие металлы обладают некоторым бактерицидным действием. Например, в ХIХ веке ручки дверей в больницах делали из меди, а в воду многие хозяйки до сих пор кладут изделия из серебра.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Это работает?

— Работает. При высоких концентрациях ионы большинства металлов цитотоксичны, то есть они препятствуют жизнедеятельности бактерий, например, через нарушение целостности бактериальной клетки, нарушение питания, угнетение дыхания или через подавление размножения. Цитотоксичность серебра, меди и повышенных концентраций цинка объясняют тем, что ионы металла связываются с бактериальными мембранами или белками, увеличивая проницаемость клеточных мембран. Через мембрану ионы попадают в цитоплазму, где изменяют функционирование клеточных органелл. Ионы металлов также способствуют образованию активных форм кислорода. В результате ферменты, необходимые для дыхания бактерий, деградируют; также разрушаются ДНК бактериальных клеток. В итоге клетки погибают.

— Как покрытие может повлиять на развитие бактерий на его поверхности?

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Бактерия, находящаяся внутри небольшого количества жидкости или аэрозоля, попав на поверхность, к этой поверхности прикрепляется. Для нас важнее всего первая стадия контакта бактерии с поверхностью. Если на первом этапе бактерия не сможет закрепиться на поверхности, никакого развития колонии не произойдет, и будет достигнут нужный результат — бактериальная чистота. Если бактерия закрепилась, бороться с ней сложнее, потому что она начинает размножаться, формируя биопленку и выделяя внеклеточные полимеры, которые экранируют бактерии от внешнего воздействия и от контакта с поверхностью. Тогда потребуются дополнительные химические и/или механические воздействия, чтобы предотвратить развитие колонии и перенос инфекции. Задача материаловедческого подхода — не допустить формирования биопленки. Проще уничтожить зло в зародыше, пока оно не успело набрать силу.

Следовательно, нам нужно предотвратить прикрепление, или, если использовать научный термин, адгезию бактерии к поверхности. Для этого мы создаем поверхности с определенной текстурой и химическим составом. Исследования, проведенные в нашей научной группе под руководством академика РАН Людмилы Бойнович, показали, что наибольший эффект в борьбе с распространением инфекций дают материалы с экстремальным смачиванием. Есть два экстремальных режима смачивания — супергидрофобность и супергидрофильность.

— Что это означает?

— Все, наверное, видели, как прохладным летним утром на стеблях травы блестят капли росы. На одних травинках они выглядят как слегка сплющенные шарики. Если травинку покачать, то они скатятся, оставаясь капельками. А на других листах вода растекается пленкой и никаких шариков-капелек не наблюдается.

Так вот, супергидрофобность — это ситуация, когда жидкость образует почти шарообразные капли, которые скатываются с поверхности даже при самом незначительном наклоне. Супергидрофильность — противоположный случай, когда жидкость растекается очень тонким слоем.

— Какая поверхность более интересна?

— Для супергидрофильных материалов быстрее происходит растворение металла в контактирующей жидкости и возникает наибольшая концентрация ионов, о цитотоксичности которых я уже говорил. Также при растворении меняется кислотность среды. В зависимости от того, с какими бактериями мы имеем дело, можно найти ту область значения кислотности, при которой наблюдаются бактерицидные и бактериостатические эффекты. Поэтому полное растекание попадающих на поверхность капель — например, слюны, мочи или крови — способствует быстрому контактному уничтожению содержащихся в них бактерий. Интересно, что супергидрофильные материалы работают и при контакте с большими объемами биологической жидкости. Супергидрофильная медная пластинка, опущенная в емкость с бактериальной дисперсией, не только обеспечивает уничтожение бактерий, оседающих на ее поверхности, но и за несколько часов очищает от микробов весь объем жидкости.

Супергидрофобные материалы обладают антикоррозионными свойствами. Концентрация цитотоксичных ионов в жидкости будет наименьшей, но в данном случае капли биологических жидкостей вместе с содержащимися в них бактериальными клетками скатываются с поверхности, что способствует более длительному сохранению бактериальной чистоты поверхности. Поскольку поверхность водоотталкивающая, контакт между подложкой и каплей будет иметь меньшую площадь, следовательно, меньше будет возможностей для адгезии бактерий.

Интересно, что при вынужденном длительном контакте супергидрофобных покрытий с бактериальной средой включаются некоторые механизмы, характерные для супергидрофильных поверхностей, например, контактное уничтожение клеток и бактерицидное действие накопленных в растворе ионов. Мы наблюдали такое отложенное антибактериальное действие для медной супергидрофобной поверхности. Известные противокоррозионные свойства супергидрофобных поверхностей позволяют значительно повысить их устойчивость к внешним воздействиям и увеличить срок службы.

Мы научились создавать состояние экстремального смачивания практически на всех металлических, а также на многих полимерных и композитных материалах. Проведенные лабораторные исследования и начатые эксперименты в стационарах показали, что материаловедческие подходы, направленные на создание необходимой морфологии и химического состава поверхностей материалов, открывают новые возможности для немедикаментозного решения проблемы больничных инфекций.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Долго ли вы работали над этим проектом?

— Разработки, связанные с приданием поверхности супергидрофобных или супергидрофильных свойств, в лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН ведутся давно. Эксперименты с антибактериальными покрытиями мы начали в июле 2023 года. Над задачей работал очень большой коллектив: сотрудники лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН, других лабораторий нашего института, врачи из городской клинической больницы, микробиологи из НИЦЭМ имени Гамалеи и специалисты по электронной микроскопии из Курчатовского института и из ИОНХ РАН. Это большой проект, поддержанный грантом Российского научного фонда для лабораторий мирового уровня (грант N23–73–30004 «Лазерные стратегии в инновационном материаловедении: от авиации и теплоэнергетики до медицины и машиностроения»).

Результаты годовых экспериментов показали, что наблюдается статистически достоверный и заметный антибактериальный эффект.

Например, в больнице мы делали смывы с кнопок лифтов. На поверхностях трех типов — супергидрофобной меди, супергидрофильной меди и гладкой меди — бактерий было обнаружено как минимум втрое меньше, чем на штатных кнопках из нержавеющей стали. Подобные результаты были получены и для других наших поверхностей.

Большие перспективы открывает сочетание разных покрытий. Например, установлено, что одно из самых грязных мест в больнице – это поднос, на который больные ставят баночки с анализами. Мы предложили сделать его супергидрофобным, а емкость, в которую будут стекать жидкости, наоборот, сделать супергидрофильной, чтобы быстро запускался механизм растворения и перехода ионов металлов в раствор.

Хотя мы не наносим на поверхность какое-то вещество, имеющее бактерицидные свойства, а обрабатываем поверхность так, что она сама будет обладать антибактериальными свойствами, можно использовать дополнительные механизмы уничтожения бактерий. Иерархическая пористая структура или шероховатость поверхности позволяют инкапсулировать, например, бактериофаги или антисептики, чтобы усилить антимикробные свойства.

— Но поверхность неизбежно будет загрязняться. Как загрязнение отразится на ее антимикробных свойствах?

— Полученные поверхности показали себя достаточно устойчивыми к мытью. Кроме того, поскольку в больницах регулярно проводится кварцевая обработка, ультрафиолет частично разрушает загрязнение и восстанавливает свойства поверхности.

— Как скоро появятся такие поверхности?

— Лазерная обработка поверхности для придания ей супергидрофобных и супергидрофильных свойств — это существующая промышленная технология. Поэтому можно ожидать ее внедрения в ближайшем будущем, как только технология будет опробована в большом количестве медицинских учреждений и Минздрав примет соответствующее решение.

Ольга Макарова