Эффективность антимикробных технологий повысилась на 37% после их объединения

Ученые показали, что комбинированная обработка бактерий холодной облучающей плазмой и наночастицами металлов оказывала выраженный антимикробный эффект, превосходящий действие каждого из компонентов по отдельности. Так, совместная обработка плазмой и наночастицами на 37% лучше подавляла рост бактерий по сравнению с использованием только плазмы. Такая комбинированная терапия потенциально может использоваться для разработки новых методов лечения ран и дезинфекции. Результаты исследования опубликованы в журнале Biomedicines.

Холодная аргоновая плазма — это применяющийся для стерилизации газ, температура которого не превышает 40оС. В потоке плазмы формируются активные формы кислорода и азота, заряженные частицы, фотоны, которые повреждают и уничтожают бактерии. При этом плазма не токсична для человека, не вызывает у него аллергических реакций и мутаций, что делает ее безопасной для применения в медицине. Например, попадание патогенных микроорганизмов в рану часто удлиняет период ее заживления, поэтому за счет противомикробного эффекта плазму можно использовать для обработки ран, в том числе после операций.

Другим известным антимикробным соединением служат наночастицы, содержащие металлы. Так, наночастицы с церием способны повышать эффективность существующих противомикробных препаратов, что позволяет использовать их в качестве вспомогательных средств против устойчивых к лекарствам патогенов. Соединения церия взаимодействуют с покровами бактерий, предотвращают их размножение и распространение. Кроме того, производные церия защищают живые клетки животных от токсинов и нейтрализуют активные формы кислорода, разрушающие клеточные мембраны. Наночастицы, содержащие вольфрам, обладают высокой фотокаталитической активностью, что позволяет использовать их при очистке и обеззараживании сточных вод. Кроме того, эти частицы биосовместимы и безопасны для человека.

В результате ученые предложили совместить эти две терапевтические технологии. Предположительно, комбинированная терапия повысит эффективность лечения бактериальных заболеваний.

Ученые из Больницы Пущинского научного центра РАН проверили совместное действие плазмы и различных типов наночастиц металлов, среди которых были оксид и фторид церия, а также оксид вольфрама, на модельную бактерию Escherichia coli, способную вызывать кишечные расстройства. Авторы смешали бактериальные клетки с раствором наночастиц и нанесли на агар, использующийся в качестве питательной среды, а затем обработали чашки с клетками плазмой. Исследователи дали бактериям расти в течение 16-20 часов, а затем с помощью программного обеспечения измерили зоны ингибирования — участки чашек, не заросшие клетками. Так, использование частиц вольфрама привело к дополнительному подавлению роста бактерий на 37% по сравнению с только обработкой плазмой.

Затем исследователи проверили, как наночастицы металлов влияют на мутации у E. coli. Для этого авторы искусственно внесли в геном бактерий небольшие последовательности, кодирующие два фермента. Один из них делал бактерий невосприимчивыми к антибиотику ампициллину, второй — позволял клеткам преобразовывать сахара среды в синий краситель. В результате в группе бактерий, не обрабатываемой наночастицами и плазмой, все колонии росли с ампициллином и были синими. Однако количество колоний снизилось после обработки плазмой на 69,26% и на 94,14% после предварительного добавления наночастиц. При этом только обработка наночастицами — без дальнейшего облучения — не влияла на количество колоний. Оценив количество синих и белых колоний, ученые показали, что больше всего мутаций возникало в клетках, обработанных фторидом церия и плазмой: примерно 20% их колоний стали белыми.

С помощью атомно-силовой микроскопии, позволяющей изучать геометрические и механические свойства разных поверхностей, ученые показали, что плазма деформировала и, таким образом, разрушила стенки бактериальных клеток. Добавление металлических наночастиц усилило действие плазмы. Так, сильнейший эффект наблюдался при использовании фторида церия и плазмы: клеточная стенка полностью разрушалось, содержимое клеток высвобождалось.

«Обнаруженные синергичные антимикробные эффекты наночастиц и низкотемпературной аргоновой плазмы после более глубоких доклинических и клинических исследований могут быть внедрены как технология в медицинскую практику обеззараживания ран и язв в различных областях — от хирургии до гинекологии», — рассказывает заведующий лабораторией исследований генома, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, кандидат биологических наук Артем Ермаков.

Также в исследовании приняли участие ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино), АНО Инженерно-физического института (Серпухов), Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (АО “ГНЦ РФ ”ТРИНИТИ") (Москва), Государственного педагогического университета (Москва), Института общей и неорганической химии имени Курнакова РАН (Москва).