Золотые «фонарики» подсветят бактерии на медицинских устройствах
. Внешний вид флуоресцентных золотых нанокластеров (слева) и окрашенные данными нанокластерами биопленки на внутренней поверхности урологического катетера (справа).
© Стелла Евстигнеева.
Биологи предложили обнаруживать бактериальные биопленки на медицинских приборах с помощью светящихся (флуоресцентных) золотых нанокластеров. Этот подход более чувствителен, чем стандартный метод диагностики биопленок, который используется в клинической практике. Биопленки патогенных бактерий могут становиться причиной внутрибольничных инфекций, которые плохо поддаются лечению, например, госпитальной пневмонии, инфекций мочевыводящих путей или кровотока. Новый подход, разработанный учеными, позволит выявить развитие опасных бактерий на медицинских изделиях и устройствах на ранней стадии и вовремя предотвратить его. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Talanta.
Биопленки — это самая распространенная форма существования бактерий в природе. Микроорганизмы собираются в группы и прикрепляются друг к другу, образуя сообщество. Биопленки повсеместно встречаются в повседневной жизни и могут нести как пользу, так и вред. Один из самых ярких примеров биопленок — это известный многим чайный гриб. Кроме того, биопленки встречаются в организме человека, например, в ротовой полости, вызывая кариес, а также формируются на различных медицинских изделиях и устройствах.
Биопленки представляют собой наиболее устойчивые формы существования бактерий. В большинстве случаев они способны переживать обработку антимикробными средствами и беспрепятственно колонизировать медицинское оборудование. Помимо этого, эксплуатация любых приборов и устройств даже после многоступенчатой стерилизации протекает не в стерильных условиях, а значит, имеется риск бактериального заражения. Биопленки «разрастаются» и становятся причинами внутрибольничных инфекций — госпитальной пневмонии, заболеваний мочевыводящих путей и кровотока, которые мало восприимчивы к антимикробной терапии.
Научные сотрудники из Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (Саратов) разработали новый метод для выявления бактериальных биопленок на поверхности различных медицинских изделий. Для решения данной задачи объединили усилия две лаборатории: биохимии и нанобиотехнологии.
«Для "подсвечивания" биопленок мы выбрали сравнительно недавно разработанные наноструктуры — флуоресцентные золотые нанокластеры. Одна из разновидностей данных нанокластеров представляет собой "светящуюся" (флуоресцентную) краску, которая способна не только взаимодействовать с биопленкой без дополнительных узнающих молекул, но и сохранять свое свечение при этом взаимодействии. Такие флуоресцентные нанокластеры очень легко получать в лаборатории без использования каких-либо токсичных органических веществ. Все вышеперечисленное выгодно отличает нанокластеры от других видов "светящихся" красок, которые применяются для визуализации разного рода биологических объектов», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Даниил Чумаков, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории нанобиотехнологии Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН.
По результатам исследования выяснилось, что «светящиеся» нанокластеры способны специфично связываться c биопленками различных бактерий, среди которых — сенная палочка Bacillus subtilis и кишечная палочка Escherichia coli. Данное наблюдение позволило ученым разработать систему для количественной детекции биопленок на основе золотых нанокластеров. Чувствительность этого подхода в 10 раз превысила чувствительность стандартного метода детекции биопленок на основе кристаллического фиолетового, который используется в клинической практике. Разработанный подход оказался применим для обнаружения биопленок на самых разных поверхностях, включая покровные стекла, пробирки и урологические силиконовые катетеры.
Команда исследователей также изучила взаимодействие золотых нанокластеров с биопленками на молекулярном уровне. Выяснилось, что нанокластеры способны связываться с белками матрикса биопленок и с некоторыми полисахаридами. В частности, авторы обнаружили прочное связывание нанокластеров с липополисахаридами, входящими в состав биопленок бактерий Azospirillum baldaniorum.
В перспективе подобная «светящаяся» детекция бактериальных биопленок позволит упростить диагностику различных инфекций, связанных с медицинскими изделиями и устройствами, и внесет существенный вклад в развитие современной медицины.
«Главная задача этого метода — вовремя обнаружить биопленку, которая только начинает "заселять" медицинское устройство. А затем предотвратить распространение патогенных бактерий с помощью дезинфекции или замены изделия. В перспективе мы планируем создать нанокластеры, способные не только визуализировать биопленки, но и одновременно их обезвреживать», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Стелла Евстигнеева, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН.