Подразделение IBM Research во время разработки методов управления материалами на атомарном уровне случайно нашло изящное решение давней медицинской проблемы. Совместно с Институтом биоинженерии и нанотехнологии в Сингапуре (IBN) специалисты IBM создали биосовместимый гидрогель. Его антибактериальные и противогрибковые свойства обусловлены не химическими, а исключительно физическими эффектами – смотрите видео.

Традиционная разработка антибактериальных средств – непрерывный процесс, идущий по пути щита и меча. Через некоторое время после появления нового препарата закономерно возникают устойчивые к нему штаммы.

Отдельную проблему представляет способность многих бактерий формировать стойкие плёнки на катетерах, дренажах, эндоскопической технике и другом медицинском оборудовании. Эти устойчивые ассоциации из микроорганизмов одного или нескольких штаммов обладают надёжными механизмами самозащиты и распространения инфекции.

Этапы развития бактериальной плёнки (изображение: Center for Biofilm Engineering Montana State University)
Этапы развития бактериальной плёнки (изображение: Center for Biofilm Engineering Montana State University)

Современное дорогостоящее эндоскопическое оборудование оснащено сложной электроникой.

Его нельзя сделать одноразовым или подвергать жёстким методам дезинфекции.

Многослойная бактериальная плёнка снижает эффективность щадящей обработки, проводимой специально созданными для сложной аппаратуры антисептическими средствами.

При следующем осмотре или другой медицинской манипуляции фрагменты бактериальной плёнки отделяются и инфицируют очередного пациента.

Линия фронта в затяжной войне между человеком и патогенными микроорганизмами проходит через сеть лечебных учреждений. Поэтому в них проще подхватить заболевания, вызываемые резистентными штаммами.

ЦНИИ Эпидемиологии Роспотребнадзора оценивает число внутрибольничных инфекций в России на уровне 2 – 2,5 млн случаев в год. В странах Евросоюза и США счёт также идёт на сотни тысяч и миллионы. Решение проблемы госпитальных инфекций съедает львиную долю бюджета.

Согласно отчёту Центра по контролю и профилактике заболеваний США, ежегодные непосредственные затраты на предотвращение и лечение нозокомиальных инфекций обходится казне в сумму от 28,4 до 33,8 млрд. долларов.

Состав гидрогеля и цилиндрической катионной мицеллы (изображение: IBM Research)
Состав гидрогеля и цилиндрической катионной мицеллы (изображение: IBM Research)

В IBM и IBN отказались от химических методов воздействия и пошли иным путём.

Совместными усилиями за четыре года был создан гидрогель на основе многоблочных сополимеров с преобладанием положительного заряда на поверхности макромолекул.

Их самосборка осуществляется в водном растворе, подогретом до температуры тела человека. Формирующийся гидрогель содержит около 90 процентов воды и характеризуется высокой биологической совместимостью.

Он состоит из блок-сополимеров полиэтиленгликоля (PEG), цетилпиридинхлорида (CPC), право- (PDLA) и левовращающих (PLLA) изомеров молочной кислоты.

При контакте с бактериальной плёнкой положительно заряженные макромолекулы гидрогеля взаимодействуют с отрицательно заряженной поверхностью клеток микроорганизмов. Это приводит к разрушению их ассоциации и гибели большей части вегетативных форм. Споровые формы так не уничтожить, однако главный бич больниц и роддомов – метициллин-резистентный золотистый стафилококк и ряд других опасных возбудителей их не образуют.

Разрушение бактериальной плёнки штамма MRSA под действием гидрогеля (фото: Institute of Bioengineering and Nanotechnology)
Разрушение бактериальной плёнки штамма MRSA под действием гидрогеля (фото: Institute of Bioengineering and Nanotechnology)

Наружная поверхность мембраны соматических клеток организма человека имеет слабый положительный заряд, поэтому гидрогель практически не оказывает на них влияния. Он постепенно подвергается биологическому разложению и выведению. Первоначальные исследования указывают на отсутствие типичных проблем, таких, как токсичность и эффекты накопления.

При разработке новых технологий нередко открывается их потенциал за пределами изначально выбранной отрасли. Надо обладать достаточной широтой взглядов, чтобы вовремя заметить его и предложить неожиданные аспекты применения.