В рамках проекта Российского научного фонда (РНФ) сотрудники лаборатории лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН разработали и запатентовали инновационный, недорогой и потенциально мобильный лазерно-аппликационный способ переноса высокой дозы металлических наночастиц с прозрачной диэлектрической подложки на (а)биотическую поверхность, требующую антибактериальной обработки. Этот способ хорошо зарекомендовал себя для тотального подавления биопленок широкого круга патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro.
Еще недавно прогнозы Всемирной организации здравоохранения о 20 миллионах смертей в год к 2025 году от бактериальных инфекций казались довольно абстрактными, но пандемия COVID-19 показала, что патогенные микроорганизмы фактически составляют нашу среду обитания и поэтому должны находиться под постоянным контролем, а их мутации и приобретение ими резистентности к современным антибиотикам требуют особых, надежных и, по возможности, универсальных биоцидных средств.
В настоящее время известно, что наночастицы материалов представляют собой мощное бактерицидное средство с широким спектром действия, определяемым целым рядом возможных механизмов воздействия на живые клетки: генерация активных форм кислорода, выделение биотоксичных ионов металлов, блокировка каналов метаболизма, электростатические и наномеханические воздействия. Однако, во многих случаях стоит вопрос доставки значительной дозы наночастиц в нужное место в нужное время, в то время как коллоидные растворы наночастиц зачастую имеют слишком малые концентрации действующего вещества.
В ходе трехлетнего проекта РНФ под руководством главного научного сотрудника Отделения квантовой радиофизики ФИАН, д.ф.-м.н. А.А. Ионина коллективу, состоящему из научных сотрудников ФИАН, студента НИЯУ МИФИ, сотрудника ФИЦ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалея, удалось разработать и запатентовать инновационный лазерно-аппликационный способ доставки высокой дозы наночастиц на (а)биотическую поверхность, требующую антибактериальной обработки, на основе известного в течение нескольких десятилетий в лазерной физике и материаловедении явления лазерного переноса вещества вперед (Laser-induced forward transfer, LIFT). В исследованиях коллектива этот способ хорошо зарекомендовал себя для тотального подавления (снижение числа колониеобразующих единиц, КОЕ, с 10-100 миллионов до нуля) биопленок широкого круга патогенных микроорганизмов III-ей и IV-ой группы in vitro путем лазерного переноса на нее с прозрачной диэлектрической подложки металлических пленок серебра, меди и никеля в виде высокой дозы бактерицидных наночастиц (Рис.1).
Рисунок 1. Вверху — Схема, принцип, вид наночастиц; внизу — результаты переноса металлических наночастиц на бактерии и инкубирования бактерий на слое наночастиц
Проведенные исследования in vitro показали перспективность данного подхода с широким спектром антибактериального действия для всех использованных культур патогенных микроорганизмов для его простой, недорогой и потенциально мобильной (с помощью переносных ранцевых или мобильных хирургических лазеров) реализации in vivo на инфицированных ранах, а также других важных функциональных медицинских поверхностях. На неинфицированных ранах лабораторных мышей в ходе исследований по выявлению биосовместимости переносимых наночастиц in vivo обнаружена хорошая заживляемость ран и данные исследования предполагается теперь продолжить в рамках более широких лабораторных исследований.
В ходе дальнейших исследований авторы предполагают физико-химическими методами более полно контролировать более широкий круг параметров биоцидных наночастиц (размер, химический состав и структуру, дзета-потенциал) и анализировать химические, молекулярно-клеточные аспекты взаимодействия наносимых наночастиц с биопленками и планктонными формами культур патогенных бактерий на молекулярном и клеточном уровне с помощью разработанных коллективом подходов экспресс-методов колебательной и фотолюминесцентной спектроскопии (Рис.2). Прямая визуализация взаимодействия наночастиц с биопленками будет осуществляться с привлечением доступных методов просвечивающей электронной микроскопии сверхвысокого разрешения, а связанные с ним химические взаимодействия на уровне атомных связей – методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Это позволит установить основные молекулярно-клеточные механизмы бактерицидного действия наночастиц, позволяющие разными путями преодолеть резистентность бактерий, выбрать наиболее оптимальные размеры и химический состав бактерицидных наночастиц и режимы их лазерной генерации, а также устройств на их основе (фильтры воды и т.п.). Ввиду актуальности антивирусной тематики, разрабатываемые антибактериальные подходы предполагается также in vitro тестировать на модельных вирусах (фагах), и установить молекулярно-клеточные механизмы противовирусной активности.
Рисунок 2. Фотолюминесцентные снимки бактерицидной активности различных поверхностных наноструктур кремния (нанорешетки, наночастицы) и ИК-спектроскопия ключевых молекулярных взаимодействий
Результаты исследований коллектива опубликованы в ряде статей в высокоцитируемых научных журналах и представлены в пленарных и приглашенных докладах на международных конференциях.
АНИ "ФИАН-информ"
