Исследователи из Мичиганского университета обнаружили, что покрытие нанопирамид оксида цинка может нарушить рост метициллин-устойчивого золотистого стафилококка (MRSA), уменьшая пленку на обработанных материалах более чем на 95 процентов. Ежегодно около миллиона имплантированных медицинских устройств заражаются MRSA и другими видами бактерий.
«Лечить эти инфекции чрезвычайно сложно», – сказал Дж. Скотт ВанЭппс, клинический лектор и научный сотрудник отделения неотложной медицины Медицинской школы UM, команда которого вела биологическое исследование.
Лечение включает в себя либо длительный курс антибиотиков, который может привести к устойчивости к антибиотикам и токсическим побочным эффектам, либо имплантаты должны быть заменены хирургическим путем, что может быть довольно обширным для таких устройств, как сердечные клапаны и протезы суставов, сказал ВанЭппс.
В идеале врачи хотели бы в первую очередь предотвратить возникновение инфекций.
Один из вариантов – покрыть устройства чем-то, на чем не могут расти бактерии. Новые результаты, опубликованные в журнале Nanomedicine, предполагают, что такое покрытие может быть сделано из наночастиц оксида цинка – ингредиента солнцезащитного крема и крема от опрелостей, который делает лосьон более густым и относительно непрозрачным.
Если наночастицы имеют форму пирамиды с основанием в форме шестиугольника, они очень эффективны в предотвращении расщепления ферментом бета-галактозидазой лактозы на более мелкие сахара, глюкозу и галактозу, которые бактерии используют в качестве топлива.
Форма важна как для фермента, так и для наночастиц. Фермент должен иметь возможность скручиваться, чтобы разрезать лактозу на более мелкие сахара. Две аминокислоты или строительные блоки белка расположены напротив друг друга через бороздку в ферменте.
Лактоза входит в желобок, а аминокислоты объединяются, чтобы катализировать расщепление на глюкозу и галактозу.
«Хотя необходимо провести дополнительные исследования, мы полагаем, что нанопирамиды оксида цинка мешают этому вращательному движению», – сказал Николас Котов, исследователь Joseph B. и Флоренция V. Сейка, профессор химической инженерии, чья группа создала наночастицы.
Исследование команды предполагает, что часть наночастицы – край или острие – вставляется в канавку. Забивая только одну из четырех канавок, наночастицы могут отключить весь фермент, предотвращая скручивающее действие.
Чтобы изучить концепцию антибактериального покрытия, группа Котова покрыла несколько колышков нанопирамидами, а затем команда VanEpps вставила их в вещество, которое позволяло бы бактериям расти. Они оценили четыре вида бактерий на колышках с покрытием и без покрытия – два вида стафилококков (включая MRSA), один вид, вызывающий пневмонию и E. кишечная палочка.
После 24 часов роста количество жизнеспособных стафилококковых клеток, извлеченных из штифтов с покрытием, было на 95 процентов меньше, чем из штифтов без покрытия. Пневмония и E. coli были менее восприимчивы к наночастицам.
«Хотя покрытие не смогло полностью уничтожить все стафилококковые клетки, это резкое сокращение, вероятно, могло бы обеспечить успех лечения антибиотиками или просто позволить иммунной системе человека взять верх без необходимости в антибиотиках», – сказал ВанЭппс.
Staph, включая MRSA, особенно уязвим для нанопирамид, потому что его клеточная стенка представляет собой матрицу белков и сахаров.
Команда подозревает, что когда MRSA пытался колонизировать колышки, нанопирамиды связывались с ферментами, которые строят клеточную стенку. Поскольку ферменты не могли поддерживать клеточную стенку, клетки разрушались.
Если нанопирамиды действительно работают именно так, то покрытие не должно быть проблемой для человеческих клеток, чьи мембранные оболочки не имеют таких уязвимостей. Это также может объяснить, почему покрытие не так эффективно на E. coli, которая не носит ферменты клеточной стенки на рукаве.
Между покрытием из наночастиц и клиническим применением у пациентов существует множество препятствий. Исследователи должны выяснить, как такое покрытие повлияет на человеческие клетки рядом с имплантатом, и изучить, как нанопирамиды влияют на другие ферменты человека и бактерий.
«Сильная антибактериальная активность против MRSA и других патогенов – захватывающее открытие», – сказал Котов. «Мы хотим лучше понять механизмы антибактериальной функции, чтобы точно настроить ее ингибирующую активность и выявить структурные сходства между ферментами, которые пирамидные наночастицы могут ингибировать."