Исследователи разработали новую технологию заживления ран

Исследовательская группа Университета штата Вашингтон (WSU) успешно использовала слабый электрический ток для борьбы с лекарственно-устойчивыми бактериальными инфекциями и их уничтожения. Эта технология может в будущем применяться для лечения хронических инфекций ран.

Результаты работы опубликованы в онлайн-издании npj Biofilms and Microbiomes.

Под руководством Халука Бейенала, заслуженного профессора имени Пола Хохеншуха в Школе химического машиностроения и биоинженерии имени Джина и Линды Войланд, команда использовала антибиотик в комбинации с электрическим током, чтобы уничтожить все высокоустойчивые бактерии Pseudomonas aeruginosa PAO1 в образцах. Эта бактерия ответственна за хронические и серьёзные инфекции у людей с заболеваниями лёгких, такими как муковисцидоз, а также в хронических ранах. Она также часто вызывает пневмонию у пациентов на ИВЛ и инфекции у пострадавших от ожогов.

"Я не поверил. Уничтожение большинства персистирующих клеток было неожиданным", — сказал Бейенал, впервые увидев результаты. — "Затем мы воспроизвели это много-много раз".

Бактериальная резистентность — растущая проблема во всём мире. Хотя антибиотики были чудо-лекарством XX века, их широкое применение привело к появлению устойчивых штаммов. В США, по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, ежегодно регистрируется не менее 2 миллионов инфекций и 23 000 смертей, связанных с устойчивыми к антибиотикам бактериями.

Когда врачи используют антибиотики для лечения бактериальной инфекции, многие бактерии погибают. Однако бактерии, образующие слизистый слой (биоплёнку), убить сложнее, потому что антибиотики лишь частично проникают через этот защитный слой. Субпопуляции "персистирующих" клеток выживают после лечения и способны расти и размножаться, что приводит к хроническим инфекциям.

В новом исследовании учёные использовали "e-скаффолд" (электронный каркас) — своего рода электронный пластырь из проводящей углеродной ткани — вместе с антибиотиком, чтобы целенаправленно воздействовать на эти персистирующие клетки. E-скаффолд создаёт электрический ток, который производит низкую и постоянную концентрацию перекиси водорода (H₂O₂), эффективного дезинфицирующего средства, на своей поверхности. Перекись водорода разрушает матрикс биоплёнки, повреждает клеточные стенки и ДНК бактерий, что обеспечивает лучшее проникновение антибиотика и повышает его эффективность против бактерий.

"Оказывается, перекись водорода действительно губительна для биоплёнок", — сказал Даг Колл, профессор Школы глобального здоровья животных имени Пола Аллена и соавтор статьи.

Исследователи пытались использовать электростимуляцию как метод уничтожения бактерий более века, но с неоднозначными результатами. Команда Бейенала определила условия, необходимые для электрохимической реакции по производству перекиси водорода. Однако ток должен тщательно контролироваться, чтобы обеспечить правильную реакцию с точной скоростью. Их метод также не повреждает окружающие ткани, а бактерии не могут выработать устойчивость к такому электрохимическому воздействию.

"Мы продвинулись дальше наблюдения и добрались до механизма", — сказал Колл. — "Если вы можете объяснить, почему это работает, то можете двигаться вперёд, описать ограничения и, надеюсь, усилить эффект".

Исследователи подали заявку на патент и работают над коммерциализацией процесса. Уже несколько компаний связались с WSU для обсуждения коммерциализации. Они также надеются начать клинические испытания.

Подобно тому, как пенициллин был открыт случайно, исследования по разработке e-скаффолда фактически стали результатом неудачной попытки группы Бейенала улучшить топливные элементы. Когда исследователи поняли, что могут производить лишь небольшое количество электрического тока для катода своего топливного элемента, они решили проверить, можно ли использовать этот процесс для другой цели.

"Как инженеры, мы всегда пытаемся найти решения проблемы, поэтому мы решили использовать плохие катоды для контроля роста биоплёнки, и это сработало. Наше вдохновение пришло из фундаментальной работы по пониманию её механизма", — сказал он.