Нанотехнологии и свет вместо антибиотиков — новый подход к лечению ран

Небольшой порез или ссадина у здорового человека заживает за несколько дней. Но у людей с диабетом, ожогами или нарушениями кровообращения раны нередко не заживают месяцами и даже годами. Хуже того, в них легко образуются бактериальные плёнки — защитные сообщества микробов, устойчивые к антибиотикам. По данным исследований, более 78% хронических ран содержат подобные плёнки. Именно они становятся одной из главных причин длительного заживления язв, а иногда и ампутации конечностей.

Учёные из нескольких стран разрабатывают принципиально новый подход: наноматериалы, которые активируются светом и уничтожают бактерии без традиционных антибиотиков. Первые результаты в экспериментах на мышах и свиньях выглядят весьма обнадёживающе.

Как работают «световые убийцы» бактерий

Наноматериалы, активируемые светом, действуют двумя способами:

Тепловое воздействие. Специальные частицы поглощают свет — как правило, ближний инфракрасный или синий — и преобразуют его в локальное тепло непосредственно в ране. Тепло ослабляет бактерии и разрушает их структуры, при этом не повреждая здоровые ткани вокруг: нагрев происходит точечно, только там, куда направлен свет.

Химическое уничтожение. Другие варианты наноматериалов реагируют с кислородом в тканях и вырабатывают высокоактивные молекулы, разрушающие оболочки бактерий. Как только свет выключается — реакция останавливается.

«Вы уничтожаете бактерии и одновременно заживляете рану», — объяснил принцип Раффаэле Меззенга, материаловед из ETH Zurich.

Лизоцим из яичного белка и магний — команда заживления

Наиболее впечатляющий результат получила группа Меззенги. Исследователи взяли природный антимикробный белок лизоцим, выделенный из белка куриного яйца, и создали на его основе гель со светопоглощающим красителем.

Принцип действия:

• При облучении ближним инфракрасным светом краситель нагревается, гель тает и высвобождает активный лизоцим.
• Как только свет выключается, гель снова затвердевает и лизоцим переходит в неактивную форму.
• Это позволяет точно дозировать воздействие: белок убивает бактерии только там и тогда, когда нужно, не повреждая здоровую кожу вокруг.
• Дополнительно в гель добавили ионы магния, которые переключают иммунные клетки-макрофаги из воспалительного режима в восстановительный.

В экспериментах на мышах и свиньях гель уничтожил более 95% бактерий в ранах. Раны заживали значительно быстрее, чем у животных без лечения или получавших лизоцим без светоактивации.

Команда также проверила гель на модели заражённого протезного сустава. После введения препарата в область имплантата и облучения через кожу удалось уничтожить около 99% бактерий, сохранив костную ткань. Это особенно важно: бактериальные плёнки на поверхностях имплантатов — серьёзная проблема, нередко требующая повторных операций или даже ампутаций.

Золотые наночастицы и синий свет

Независимую разработку ведут учёные из Китая — из Ганьнаньского медицинского университета и Шанхайского университета. Они создали наноматериал на основе золотых наночастиц и графеновых «квантовых точек» — крошечных углеродных полупроводников. При облучении синим светом золото поглощает энергию и выделяет тепло, а графен помогает запускать химические реакции, производящие токсичные для бактерий молекулы.

После десяти минут облучения синим светом погибло 97% бактерий в растворе. В экспериментах на мышах раны, обработанные наноматериалом, за девять дней закрылись на 99%, тогда как у необработанных животных — лишь на 70%.

Несмотря на впечатляющие лабораторные результаты, путь от мышей до клинической практики остаётся долгим. «До применения у людей ещё далеко», — признаёт биолог Ларс Кестнер из Университета Саарланда (Германия). Необходимо обширное тестирование безопасности и снижение стоимости производства наноматериалов.

Читайте также по теме: Свет и нанотехнологии защитят медицинские имплантаты от бактериального заражения

Тем не менее направление выглядит перспективным — особенно с учётом нарастающей проблемы устойчивости бактерий к антибиотикам. «Заживление ран и антибиотикорезистентность — очень серьёзные вызовы. Любой прогресс в этих областях будет важен», — считает Чжэнпэн Цинь, материаловед из Техасского университета в Далласе.