Свет против бактерий: как наноматериалы лечат незаживающие раны без антибиотиков

Для большинства людей небольшой порез или царапина не представляют серьёзной проблемы: организм быстро заживляет повреждение, а с любой инфекцией справляются антибиотики. Однако некоторые раны — например, тяжёлые ожоги и диабетические язвы — особенно уязвимы для бактериальных инфекций, которые со временем приобретают устойчивость к лекарствам.

«Диабетические раны заживают крайне трудно, и люди живут с ними практически до конца жизни», — говорит Виталий Хуторянский, материаловед из Редингского университета в Великобритании.

Чтобы решить эту проблему, учёные разрабатывают новые методы лечения инфицированных ран с помощью специально сконструированных наноматериалов, которые активируются светом и наносят точечный антимикробный удар. Подход показал многообещающие результаты в снижении инфекции и ускорении заживления в экспериментах на мышах и свиньях, однако на людях пока не тестировался.

Хронические, незаживающие раны создают идеальные условия для формирования устойчивых биоплёнок, которые задерживают заживление и значительно повышают риск ампутации. Подавляющее большинство таких ран — более 78 процентов — содержат эти неподатливые слои бактерий, зачастую устойчивые к антибиотикам.

Новые светоактивируемые наноматериалы предлагают иной способ уничтожения бактериальных инфекций: они преобразуют свет в локальное тепло или вступают в реакцию с кислородом в тканях, производя токсичные молекулы, убивающие бактерии с минимальным повреждением окружающих тканей.

Наша кожа способна естественным образом поглощать ничтожные дозы излучения, но с помощью специально разработанных наноматериалов, по словам Чжэньпэна Циня, материаловеда из Техасского университета в Далласе, «можно нагреть ткань до более высокой температуры». Тепло ослабляет бактерии и способствует восстановлению тканей. Цинь, ставший соавтором обзора этой технологии в ежегоднике Annual Review of Biomedical Engineering за 2024 год, отмечает, что подобные световые методы уже применялись для доставки токсинов при лечении некоторых видов рака кожи и пищевода, но в уходе за ранами широкого распространения пока не получили.

В одном многообещающем исследовании, посвящённом ранам, Раффаэле Мецценга, материаловед из ETH Zurich, и его коллеги взяли за основу природный антимикробный белок лизоцим, выделенный из яичного белка. Из него создали гель, смешанный со светопоглощающим красителем. Под воздействием ближнего инфракрасного света краситель нагревается, расплавляя гель и высвобождая активный лизоцим. Когда свет выключается и материал остывает, лизоцим возвращается в неактивную форму.

Когда команда нанесла гель на раны мышей и свиней, выяснилось, что он уничтожил более 95 процентов присутствовавших бактерий. Раны также заживали быстрее, поскольку лизоцим — токсичный и для здоровых клеток — активировался только при облучении светом, что уберегало кожу от чрезмерного воздействия. Чтобы ещё больше ускорить заживление, учёные добавили в гель ионы магния, которые переключают иммунные клетки-макрофаги из воспалительного состояния в режим, способствующий регенерации. «Заживление идёт гораздо быстрее, потому что вы одновременно убиваете бактерии и лечите рану», — поясняет Мецценга.

Светоактивируемые наноматериалы, высвобождающие токсичные соединения только там и тогда, где это необходимо, способны уничтожать раневые инфекции, не повреждая здоровые ткани. Мышам с устойчивыми к антибиотикам инфекциями наносили гидрогель, который выделяет антибактериальный белок лизоцим только при активации светом. Их раны заживали быстрее, чем у мышей без лечения или получавших один лишь лизоцим. (Фото: адаптировано из Q. Xuan et al / Nature Communications и Knowable Magazine)

Поскольку бактериальные биоплёнки особенно устойчивы на поверхности медицинских имплантатов — где они могут вызывать рецидивирующие инфекции, требующие порой повторных операций или даже ампутаций, — команда также испытала гель на инфицированных протезных суставах у мышей. Гель ввели вокруг заражённого имплантированного стержня и просветили кожу ближним инфракрасным светом. Лечение очистило биоплёнки и уничтожило около 99 процентов бактерий вокруг имплантата, сохранив при этом костную ткань.

В другом недавнем исследовании учёные из Медицинского университета Ганьнань и Шанхайского университета в Китае лечили раны наноматериалом на основе золотых наночастиц и «квантовых точек» из оксида графена — крошечных полупроводниковых частиц на углеродной основе. При облучении синим светом золотые частицы поглощают световую энергию и преобразуют её в тепло, а оксид графена способствует переносу электронов внутри материала. Это усиливает реакции, в ходе которых образуются токсичные нестабильные молекулы — активные формы кислорода, взаимодействующие с мембранами бактерий и разрушающие их.

Когда учёные добавили этот материал в бактериальный раствор и посветили на него синим светом в течение 10 минут, мягкое тепло и активные формы кислорода совместно разрушили бактериальные мембраны. С помощью красителя, отличающего мёртвые бактерии от живых, исследователи подтвердили, что обработка уничтожила 97 процентов бактерий.

Испытания наноматериала на мышах показали, что через девять дней раны у леченых мышей зажили на 99 процентов, тогда как у нелеченых — лишь примерно на 70 процентов.

Хотя эти технологии показали многообещающие результаты в лабораторных условиях, до их применения на людях предстоит пройти ещё долгий путь. «До клиники ещё далеко», — предупреждает Ларс Кестнер, биолог из Саарландского университета в Германии. Чтобы метод стал пригодным для клинического использования, отмечает он, необходимы масштабные испытания на безопасность и снижение стоимости наноматериалов.

Тем не менее сама идея вселяет надежду в пациентов с хроническими ранами, которые не поддаются лечению обычными антибиотиками, особенно по мере того, как лекарственно-устойчивые инфекции становятся всё более распространёнными в больницах и диабетической помощи.

«Это хорошая концепция, — говорит Цинь. — Заживление ран и антибактериальная устойчивость — две огромнейшие проблемы. И я думаю, что любое продвижение в этих областях будет приветствоваться».

Источники: Knowable Magazine, Annual Review of Biomedical Engineering (2024), Nature Communications (исследование Q. Xuan et al.), исследования ETH Zurich (Раффаэле Мецценга и коллеги), исследования Медицинского университета Ганьнань и Шанхайского университета, комментарии Виталия Хуторянского (Редингский университет), Чжэньпэна Циня (Техасский университет в Далласе), Ларса Кестнера (Саарландский университет).