Бактерии, размножающиеся на поверхностях, представляют серьёзную проблему в здравоохранении, особенно когда они закрепляются на имплантатах или катетерах. Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции нашли новое оружие для борьбы с этими очагами бактериального роста, не зависящее от антибиотиков или токсичных металлов.
Секрет заключается в совершенно новом применении материала, удостоенного Нобелевской премии в этом году: металлоорганических каркасов. Эти материалы могут физически прокалывать и убивать бактерии до того, как они успеют прикрепиться к поверхности.
Как только бактерии прикрепляются к поверхности, они начинают размножаться, покрывая себя так называемой биопленкой — вязким слизистым покрытием, которое защищает бактерии и затрудняет их уничтожение. Биоплёнки особенно хорошо развиваются во влажных средах и могут создавать серьёзные проблемы в здравоохранении.
Например, бактерии могут прикрепляться к медицинским устройствам, таким как катетеры, тазобедренные имплантаты и зубные имплантаты, и приводить к внутрибольничным инфекциям (HAI), также известным как нозокомиальные инфекции — широко распространённая проблема, которая вызывает большие страдания и высокие затраты на здравоохранение, а также увеличивает риск развития устойчивости к антибиотикам.
Исследователи из Технологического университета Чалмерса нашли новый способ борьбы с биопленками, покрывая поверхности наноструктурами — металлоорганическими каркасами — которые убивают бактерии механическим способом.
Исследование, опубликованное в журнале Advanced Science, было проведено в сотрудничестве между двумя командами исследователей университета: под руководством профессора Ивана Мияковича и профессора Ларса Ёрстрёма.
«Наше исследование показывает, что эти наноструктуры могут действовать как крошечные шипы, физически повреждая бактерии, просто прокалывая их, так что они умирают. Это совершенно новый способ использования таких металлоорганических каркасов», — говорит ведущий автор исследования Жэцзянь Цао, доктор философии в области материаловедения и исследователь в Чалмерсе.
Покрытие сконструировано таким образом, что его можно наносить на различные поверхности и интегрировать в другие материалы. Важным преимуществом метода является то, что он предотвращает или уменьшает образование биоплёнок без необходимости использования антибиотиков или токсичных металлов.
«Оно борется с серьёзной глобальной проблемой, поскольку устраняет риск того, что борьба с бактериями приведёт к устойчивости к антибиотикам», — говорит Цао.
Металлоорганические каркасы (MOF) — это новый класс материалов с исключительными свойствами, в которых ионы металлов соединены в трёхмерные структуры с большими полостями и каналами в материале. Исследователи, разработавшие этот класс материалов, были удостоены Нобелевской премии по химии 2025 года.
Исследователи из Чалмерса изучили совершенно иную функцию MOF в своём исследовании. «Были предприняты предыдущие попытки использовать металлоорганические каркасы для антибактериальных целей, но в тех случаях бактерии убивались токсичными ионами металлов или антимикробными агентами, выделяемыми MOF. Вместо этого мы вырастили один MOF поверх другого, что привело к образованию острых нанонаконечников, которые могут прокалывать и убивать бактерии при их приближении», — говорит Цао.
Нанонаконечники были созданы путём контроля кристаллического роста в материале, и главной задачей было найти правильное расстояние между нанонаконечниками, чтобы максимизировать их эффект. «Если расстояние между нанонаконечниками слишком велико, бактерии могут проскользнуть и прикрепиться к поверхности. Однако если расстояние слишком мало, механическое напряжение, оказываемое нанонаконечниками на капсулу бактериальной клетки, может быть уменьшено, так что бактерии выживут — тот же принцип, который позволяет вам лежать на кровати из гвоздей и не пораниться», — говорит Цао.
Ларс Ёрстрём, соавтор исследования, работал с металлоорганическими каркасами в течение 30 лет. Он подчёркивает, что использование покрытий MOF для борьбы с бактериями на поверхностях имеет множество практических преимуществ по сравнению с другими решениями.
«Эти покрытия могут быть получены при гораздо более низких температурах, чем, например, массивы из графена, ранее разработанные в Чалмерсе. Это облегчает крупномасштабное производство и позволяет наносить покрытия на чувствительные к температуре материалы, такие как пластмассы, используемые в медицинских имплантатах. Кроме того, органические полимеры в металлоорганических каркасах могут быть созданы из переработанного пластика, что может способствовать развитию экономики замкнутого цикла», — говорит Ларс Ёрстрём.
Исследование было проведено в исследовательской группе профессора Ларса Ёрстрёма на кафедре химии и химической инженерии и в группе профессора Ивана Мияковича на кафедре наук о жизни.
Предоставлено Технологическим университетом Чалмерса.