Современная медицина постоянно сталкивается с дилеммой: врач обязан сделать все, чтобы защитить пациента от болезнетворных микроорганизмов, поэтому использует различные антибиотические средства. С другой стороны — каждое использование подобных препаратов приводит к тому, что единичные выжившие бактерии вырабатывают устойчивость к антибиотикам и размножаются. Так появляются супербактерии, бороться с которыми очень сложно.

Вот почему новые способы защиты от инфекций, не связанные с использованием антибиотиков общего или местного действия, так востребованы. В области обработки и заживления ран этот вопрос особенно актуален. Серьезные повреждения нельзя просто залить йодом, и зачастую под повязку закладывают специальные мази с бактерицидными свойствами, в противном случае есть риск масштабного заражения, последствия которого будут едва ли не опаснее самой раны.

Группа ученых из Международного научного центра SCAMT (Solution Chemistry of Advanced Materials and Technologies / Растворной химии передовых материалов и технологий) Университета ИТМО предложила использовать биоматериалы для создания защитных повязок с антибактериальными свойствами.

Как гель на рану

Новый материал, разработанный учеными Университета ИТМО и Университета Торонто в рамках совместной работы по мегагранту под руководством профессора Евгении Кумачевой, представляет собой биосовместимый гель, безопасный для клеток человека, но способствующий гибели микробов. В будущем этот гель можно будет наносить на рану, чтобы временно заменить поврежденные участки кожи и предотвратить попадание загрязнения.

«Нанокристаллическая целлюлоза представляет собой частицы длиной примерно 100-300 нанометров и диаметром около 10-50 нанометров. Наш материал — это гидрогель, который можно использовать для ранозаживляющих повязок. Он состоит из модифицированной нанокристаллической целлюлозы и желатина. Компоненты соединены специальным методом химической сшивки для прочной связи между собой. Сам по себе раствор желатина не образует гель при 37°C (температура человеческого тела), но ковалентное сшивание целлюлозы с желатином приводит к образованию геля. Полученный материал может держать заданную форму», ― рассказывает Елена Кривошапкина, доцент Химико-биологического кластера Университета ИТМО.

Состав геля разработан таким образом, чтобы решать одновременно три задачи. Во-первых, способствовать заживлению раны, создавая благоприятные условия для роста клеток; во-вторых — противостоять размножению бактерий, и в-третьих — показывать, когда нужно сменить повязку.

Создание благоприятной среды

Использование нанокристаллической целлюлозы и желатина позволяет создавать слой, максимально приближенный по своей структуре к внутриклеточному матриксу, в котором развиваются клетки организма, поэтому материал создает комфортную среду для заживления. Кроме того, полученный гидрогель не травмирует рану, он мягкий, влажный, поэтому смена повязки будет менее травматична.

«Сейчас мы сделали повязку, которая защищает рану и при этом является благоприятной средой для естественного процесса ранозаживления, — объясняет Елена Кривошапкина. — Влажная, мягкая повязка создает хорошее окружение для естественного восстановления клеток в ране. Потенциально, можно добавить факторы роста, которые будут дополнительно стимулировать заживление раны».

Нанокристаллическая целлюлоза не только выполняет функцию поддерживающего компонента при гелеобразовании. Главной ее функцией является предотвращение развития инфекции. Дело в том, что она способна сорбировать ионы железа, необходимые для развития бактерий.

«Для роста бактериям нужны питательные вещества, — напоминает Елена Кривошапкина. — В частности, для них важен баланс ионов в ране. Многие бактерии зависимы от ионов железа, а наш материал поглощает эти ионы из раны, тем самым обедняя среду».

Ионы железа создают монослой на всей поверхности целлюлозы, и в ране не остается достаточного количества ионов для активного размножения бактерий.

Чтобы подтвердить, что теория работает, авторы работы совместно с коллегами из группы Экспериментальной онкологии и иммунологии провели тесты по изучению биосовместимости нашего материала. Работой руководила к.б.н. Марина Духинова.

«Цитосовместимость гидрогеля была подтверждена в тестах с фибробластами кожи человека ― клетками, которые способствуют заживлению ран и восстановлению тканей. Антибактериальные свойства мы изучали совместно с нашими микробиологами, группой которых руководит к.б.н. Елена Кошель. Мы исследовали несколько штаммов бактерий, один из которых был антибиотико-резистентным. Тесты показали, что концентрация колониеобразующих единиц бактерий уменьшилась. Дополнительно мы показали, что при добавлении в ростовую среду железа бактерии начинают расти лучше. Но при добавлении нашего гидрогеля они развивались хуже и их количество уменьшалось», — рассказывает Елена Кривошапкина.

Замените повязку!

Однако как понять, что повязка уже полностью покрыта ионами железа, а значит больше не может сдерживать распространение бактерий? Менять повязки часто не стоит, ведь этот процесс травматичен и не способствует заживлению раны. Значит необходимо иметь какой-то видимый индикатор. В этом помогают углеродные наноточки, которыми изначально (до связывания с желатином) модифицируется поверхность нанокристаллической целлюлозы.

«Здесь мы воспользовались подходом, который недавно был разработан в Университете Торонто под руководством Евгении Кумачевой, ― модифицировали целлюлозу углеродными наноточками и получили оптически активный материал, — объясняет Елена Кривошапкина. — При воздействии на него ультрафиолетовым светом в ближнем диапазоне материал дает видимое голубое свечение. Однако в присутствии ионов железа (III) происходит гашение этого свечения».

Таким образом, если посветить ультрафиолетом на повязку, которая еще не полностью исчерпала возможности по сорбции ионов, врач получит оптический отклик. А если целлюлоза полностью покрыта ионами, такого ответа не последует и значит повязку пора менять.

Статья: Mahshid Chekini, Elena Krivoshapkina, Liubov Shkodenko, Elena Koshel, Maria Shestovskaya, Marina Dukhinova, Sina Kheiri, Nancy Khuu, Eugenia Kumacheva. Nanocolloidal Hydrogel with Sensing and Antibacterial Activities Governed by Iron Ion Sequestration. Chemistry of materials, 2020/10.1021/acs.chemmater.0c03362