Новый метод борьбы с инфекциями имплантатов: бактерии лишают энергии, не затрагивая здоровые клетки

Исследовательская группа под руководством профессора Лю Сюаньюна из Шанхайского института керамики Китайской академии наук представила новую антибактериальную стратегию. Она нарушает энергетический метаболизм бактерий, вмешиваясь в перенос протонов и электронов в их мембранах.

Результаты, опубликованные в Science Advances и представленные на обложке журнала, предлагают новую концепцию: селективную антибактериальную терапию голоданием.

Инфекции, связанные с имплантатами, представляют серьёзную послеоперационную проблему, так как бактерии в биоплёнках на имплантатах могут уклоняться от лечения антибиотиками. Обычные подходы (например, на основе ионов металлов или генерации активных форм кислорода) часто не могут селективно уничтожить бактерии, сохранив жизнеспособность здоровых клеток.

Новый подход команды основан на нарушении энергетического метаболизма бактерий с помощью плёнки из гетероперехода Шоттки, состоящей из золота и щелочных смешанных оксидов магния и железа, нанесённой на титановые имплантаты. При контакте бактерий с плёнкой гетеропереход захватывает протоны и электроны из дыхательной цепи бактерий, что приводит к истощению энергии и сильному окислительному стрессу. Это нарушает синтез АТФ и другие важные биосинтетические процессы, в конечном итоге вызывая гибель бактерий из-за повреждения ДНК и мембран.

Важно, что эта плёнка не влияет на клетки млекопитающих, поскольку их энергетический метаболизм происходит внутри митохондрий, защищённых от прямого внеклеточного вмешательства. Селективная антибактериальная эффективность материала была подтверждена на моделях остеомиелита у крыс и чрескожной инфекции у мышей, продемонстрировав как биобезопасность, так и способность убивать бактерии, поддерживая интеграцию тканей.

Помимо непосредственного применения, исследование подчёркивает более широкий потенциал нарушения энергетического метаболизма бактерий. Подобные антибактериальные эффекты наблюдались и в других гетеропереходных системах, что позволяет предположить: дальнейшая оптимизация (например, размера, распределения и состава наночастиц металлов и смешанных оксидов металлов) может улучшить биологические характеристики.

«Это исследование даёт новую перспективу для разработки биобезопасных антибактериальных биоматериалов», — сказал профессор Лю. — «Вмешиваясь в перенос протонов и электронов, мы можем селективно воздействовать на бактерии, не вредя здоровым клеткам».

Эти результаты способствуют разработке «умных» биоматериалов, способных точно регулировать биологические процессы, что потенциально может изменить лечение инфекций и повысить безопасность имплантатов.