Наноматериалы: перспективы антибактериального применения в ветеринарии

Нанотехнологии − одно из ключевых направлений развития промышленности и прогресса общества.

В нанометровом масштабе возникают качественно новые эффекты, свойства и процессы, определяемые квантовой механикой, отношением поверхность/объем и другими факторами. Свойства, которые были четко определены и зафиксированы для макроскопических систем, уже нельзя приписывать наноструктурам. Вещество может значительно изменять свои химические свойства и реакционную способность в зависимости от количества атомов в исследуемом образце, его формы и размера. Частицы металлов размером менее 10 нм (кластеры) обладают высокой химической активностью и способны вступать в реакции с другими веществами практически без участия дополнительной энергии. В отличие от вещества в компактном состоянии, доля поверхностных атомов у наночастиц значительно больше и растет с уменьшением частицы. Связи поверхностных атомов кластеров нескомпенсированны, и вызванная этим избыточность энергии существенно влияет на температуру плавления, растворимость, электропроводность, токсичность и другие свойства вещества. Это позволяет говорить о размере частицы как об активной переменной, определяющей, наряду с другими факторами, ее свойства и реакционную способность.

За последние годы сфера исследований взаимодействия наноматериалов и биологических объектов интенсивно расширилась. Так как на сегодняшний день возможно получение наноструктур практически всех химических элементов, то наиболее заметными направлениями исследований можно назвать получение новых наноматериалов и изучение их воздействия на все более разнообразные биологические объекты.

Биополимеры и клетки способны образовывать большое количество разнообразных наносистем, в том числе и с металлосодержащими нанокластерами. Взаимодействие нанокластеров золей металлов с биополимерами и клетками носит специфический характер и отличается у разных металлов. Бактериальному концентрированию металлов предшествует их адсорбция на поверхности клетки с последующей ассимиляцией. При этом может происходить укрупнение кластеров золя без адсорбции на поверхности клетки или адсорбция с последующим осаждением металл-бактериальных агрегатов. Наиболее устойчивым является золь с размером кластеров около 10 нм. Важнейшим свойством коллоидно-бактериальной наносистемы является наличие специфических взаимодействий. Так, например B. subtilis, способны к адсорбции коллоидных растворов и образованию агрегатов, в то время как неактивные клетки практически не адсорбируют.

Среди металлов наиболее давно известна антимикробная активность серебра. В свете современных данных, механизм действия серебра на микробную клетку заключается в следующем: серебро сорбируется на поверхности микробной клетки и проникает внутрь ее. При этом может нарушаться деление (бактериостатический эффект), либо ингибируются ферменты дыхательной цепи и происходит разобщение процессов окисления и окислительного фосфорилирования, в результате чего клетка гибнет.

Сравнительные исследования, проведенные в НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН, показали, что наночастицы серебра обладают большей бактерицидной и вирулицидной активностью, чем ионы серебра.

Испытания антибактериального действия наночастиц серебра на бактерии Escherichia Coli (E.coli) и Legionella Pneumophila (LP) в водном растворе проводились группой исследователей концерна «Наноиндустрия». В таблице 1 представлены их данные.

Таблица 1.Антибактериальное действие наночастиц серебра

Наночастицы серебра нашли применение в препаратах для заживления ран, в качестве компонента обеззараживающих угольных фильтров, аэрозолей, бактерицидных красок, самодезинфицирующегося белья и др. Вместе с тем, наночастицы серебра – не единственные наноматериалы, проявляющие противомикробную активность. В университете Питсбурга создан нанокатализатор, собирающий углеродные нанотрубки одинакового размера в своеобразный «ковер». В эксперименте с E.coli было установлено, что отдельные нанотрубки «ковра» способны протыкать клеточную стенку бактерий, вызывая их гибель.

Есть данные об антисептических и бактерицидных свойствах препарата на основе наночастиц оксида цинка (ZnO), который убивает бактерии и плесень и предотвращает их распространение. Малый размер и высокая однородность частиц позволяет использовать их в мембранах и сверхтонких волокнах. В керамической индустрии наночастицы могут быть использованы для производства самоочищающейся керамики (посуды, труб, плитки, сантехники и др.).

Американская компания Altair Nanotechnologies производит средство для очистки воды бассейнов и рыбоводных прудов, под названием “NanoCheck”. В нем используются частицы на основе лантана размером 40 нм, которые абсорбируют фосфаты из воды и препятствуют росту водорослей. Обширным рынком для препарата NanoCheck являются рыбоводные хозяйства, для которых устранение водорослей и предотвращение их появления – проблема насущная и весьма дорогостоящая. В настоящее время Altair проводит эксперименты с целью подтверждения безопасности наночастиц для рыбы, а также их влияния на окружающую среду и здоровье человека.

Центр Биологических Нанотехнологий разработал и испытал наноэмульсии в качестве средств дезинфекции и деконтаминации поверхностей, включая кожу и слизистые оболочки. Наноэмульсии диаметром 400-800 нм растворяют клеточную мембрану микроорганизмов, вызывая их лизис. Наноэмульсии высоко эффективны против бактерий и исключительно нетоксичны, т.к. производятся из пищевых ингредиентов. В Центре изучены спорицидные свойства более сотни антимикробных эмульсий, исследованы возможности эмульсий инактивировать бактерии, вирусы и споры различных бацилл. Уникальное спорицидное действие наноэмульсий по эффективности сравнимо с 1% хлором.

Корпорация Nanophase Technologies производит нанокристаллический оксид олова с присадкой серебра, который состоит из непористых, плотных, дискретных гомогенных наночастиц. Частицы имеют размер около 30 нм и содержат около 3% серебра по массе. Продукт предназначается главным образом для антимикробного применения в промышленности (например, предохранения древесины, предотвращения обрастания морских судов, специальных красок и покрытий), а также для изготовления проводящих покрытий в электронике.

Сравнительно недавно в нашей стране были разработаны биоактивные препараты нанодисперсного железа, отличающиеся экологической чистотой и высокой эффективностью. В ходе исследований (Павлов Г.В., Фолманис Г.Э., Коваленко Л.В.) по изучению специфической активности препаратов высокодисперного железа (К-ульдиферрита, УДС) на млекопитающих и рыбах было установлено, что препараты являются малотоксичными для животных соединениями, при введении с кормом оказывают стимулирующее влияние на иммунокомпетентные органы и клетки, а также на естественную резистентность животных (неогенез в костном мозге, тимусе, возрастание количества лейкоцитов, повышение БАСК, увеличение в сыворотке иммуноглобулинов класса G и лизоцима). В ходе применения УДС отмечается более интенсивный прирост живой массы у молоди карпа и осетра, возрастает активность гемопоэза и оснащенность эритроцитов гемоглобином, имеющийся в УДС молекулярный кислород способствует активности окислительных процессов, а сама УДС в целом, служит дополнительным источником энергии в различных физико-химических формах. При экспериментальном сальмонеллезе мышей, вызванном S. dublin было установлено антибактериальное действие УДС и 60% лечебная эффективность в сочетании с другими лечебными препаратами (клиназол и ФНО- ).

Перечисляя положительные эффекты от применения наноматериалов, необходимо обращать внимание и на их возможную токсичность. Ева Обердёрстер из Южного методистского университета в Далласе вместе с коллегами изучила «потенциальные экологические эффекты» молекул углерода диаметром 35 нм – бакминстерфуллерена (C₆₀), которые в настоящее время производятся в США больших количествах. Для определения токсичности бакминстерфуллерена были проведены две серии экспериментов: с дафниями и окунями. Было установлено, что в отношении дафний LD₅₀ достигается при концентрации молекул в воде 8,0х10^-8. Выявленный эффект делает наноматериал «умеренным ядом». В опыте с окунями бакминстерфуллерен добавляли в аквариум в концентрации 0,5х10^-6. Хотя не отмечалось падежа или изменения поведения рыб, у них обнаружилось серьёзное повреждение мембран мозговых клеток. Возможное повреждение мозга наночастицами подтвердилось в исследовании in vitro - в клеточных культурах также были зафиксированы мембранные повреждения. Также у подвергнутых воздействию C₆₀ окуней в качестве ответа на воздействие наночастиц активизировались некоторые гены.

УДК 619:616.98:579.842.14-084:636.596

Чиркова И.В

Научный руководитель – доцент Пименов Н.В.