Все дело в форме
Основная причина появления кариеса и заболеваний пародонта — зубной налет, который представляет собой бактериальную биопленку. Бороться с биопленкой помогают зубные пасты, в состав которых входят разные антисептики, например хлоргексидин, триклозан и разные натуральные антибактериальные соединения. Они давно применяются в стоматологии и эффективно удаляют бактерии из полоста рта. Однако антисептики не совсем безопасны для человека. Их реактивные соединения повышают антибиотикорезистентность полости рта и организма в целом, а также могут вызывать неприятные ощущения после чистки зубов, например ― приводить к сухости во рту.
Альтернативой антисептикам могут служить зубные пасты с механо-бактерицидным эффектом. В них содержатся анизотропные частицы, форма которых отличается от стандартных аморфных частиц, которые используются в пастах с антисептиками. Благодаря измененной форме анизотропные частицы не только убивают бактерии, но и воздействуют на их стенки — растягивают и тем самым разрывают их, убирая причину возникновения кариеса.
Чтобы создать пасту с механо-бактерицидным эффектом, сотрудники химико-биологического кластера ИТМО разработали и синтезировали четыре новые формы анизотропных частиц на основе карбоната кальция. Это биосовместимое и безопасное для человека сырье, которое широко используется в большинстве зубных паст.
«Несмотря на то, что карбонат кальция давно используется в стоматологии, раньше никто не задумывался об изменении его формы в зубной пасте. Другими словами, это химическое соединение всегда было аморфным и больше предназначалось для полировки зубной эмали. Созданные нами новые формы карбоната кальция показали высокую антибактериальную активность. При столкновении с бактериальной стенкой они нарушают ее целостность и оказывают бактерицидный эффект», — рассказывает первый автор статьи и магистрантка второго курса химико-биологического кластера Лариса Протасюк.
Cимуляция счищения биопленки с поверхности зубов. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
Как проводилось исследование
На создание искусственных форм для зубных паст ученых вдохновили природные механизмы. Например, кожа гекконов и крылья стрекоз покрыты наношипами, которые препятствуют развитию бактериальных биопленок. Поэтому для исследования сотрудники ИТМО добавили ионы магния к кристаллам карбоната кальция и разработали четыре новые для состава зубных паст формы — кубы, палочки, сферы и шипастые сферы, похожие на ежиков.
После удачного синтеза ученым предстояло ответить на два исследовательских вопроса: насколько эффективно новые формы оказывают бактерицидный эффект и как хорошо они удаляют бактериальную биопленку. Поэтому сначала исследователи оценили, как разные формы убивают бактерии. Для этого в пробирки с грамотрицательными и грамположительными бактериями добавили по каждому виду анизотропных частиц по отдельности в трех разных концентрациях. Спустя сутки результат взаимодействия бактерий и разных форм окрасили флуоресцентными красителями, чтобы визуально зафиксировать факт нарушения целостности бактериальной клетки и посчитать колониеобразующие единицы — бактерии, провзаимодействовавшие с частицами. В итоге ученые смогли оценить, какая форма частиц и в какой концентрации убила больше бактерий. Лучше всего проявили себя частицы в форме ежиков и палочек, но исследователи также продолжили изучать оставшиеся формы на случай, если они сработают эффективнее на следующем этапе — удалении биопленки.
Зависимость бактерицидного эффекта от формы применяемых частиц карбоната кальция. А — схематическое изображение реализации механо-бактерицидного эффекта. В — флуоресцентные изображения бактерий после взаимодействия с частицами карбоната кальция (зеленое окрашивание — все бактерии, присутствующие в данном образце, красное окрашивание — бактерии с поврежденной клеточной стенкой). С — эффективность гибели бактерий после взаимодействия с частицами карбоната кальция. Изображение предоставлено авторами статьи
Сначала ученые вырастили и окрасили биопленку в лунках лабораторных планшетов, чтобы затем счистить ее с помощью межзубных ершиков. Оставшуюся на них окрашенную биопленку погрузили в раствор ацетона и этанола и с помощью спектрофотометра оценили, какой раствор ярче. Оказалось, что формы ежиков и палочек также лучше других форм удалили биопленку.
Зубы еще чище
Эффективность зубной пасты с механо-бактерицидным эффектом ученые отследили и в испытаниях ex vivo на настоящих зубах. Карбонат кальция в форме ежиков и палочек убил бактерии на поверхности зубов на 93% лучше и удалил бактериальную биопленку почти в два раза эффективнее аморфной формы (более 210% для формы палочек, кубов и ежиков).
Удаление биопленки с поверхностей зубов ex vivo. А — схематическое изображение эксперимента, основанного на удалении окрашенных биопленок с поверхностей зубов посредством зубной щетки и анизотропных частиц карбоната кальция с последующей экстракцией красителя для оценки эффективности удаления биопленки. В — 'ффективность удаления биопленок с поверхностей зубов при использовании различных форм карбоната кальция. Изображение предоставлено авторами статьи
Благодаря механо-бактерицидному эффекту ученые рассчитывают снизить концентрацию антисептиков в зубных пастах, что в свою очередь уменьшит вероятность возникновения токсичности и других побочных эффектов. Более того, анизотропные частицы не вредны для эмали зубов и биосовместимы с эпителиальными клетками. Но ученые предполагают, что новые формы карбоната кальция могут найти применение и в других сферах.
«Разработанные формы помогают бороться с бактериями, оказывая бактерицидный эффект, и биопленкой, которая присутствуют не только на поверхности зубов. Например, с их помощью возможно будет очистить мочевые катетеры или воду, так как использование карбоната кальция в организме человека одобрено Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA)», — дополнила Лариса Протасюк.
Работа выполнена за счет гранта РНФ (проект № 21-73-10150).
Статья: L. Protasiuk, N. Serov, A. Lokteva, D. Kladko, E. Koshel and V. Vinogradov, Mechano-bactericidal anisotropic particles for oral biofilm treatment, Journal of Materials Chemistry B, 2022.
