Инженеры-биомедики из Университета Брауна создали повязку для ран, которая высвобождает антибиотики только при обнаружении вредных бактерий. В ходе нового исследования команда ученых выяснила, что этот материал может быстро устранять раневые инфекции и ускорять заживление, сокращая при этом ненужное использование антибиотиков. Чрезмерное использование антибиотиков — одна из главных причин устойчивости к ним и трудноизлечимых «супербактериальных» инфекций, от которых ежегодно умирают десятки тысяч людей по всему миру.

Материал представляет собой «умный» гидрогель с антибиотиками, который можно накладывать непосредственно на рану под повязку. Он реагирует на фермент, вырабатываемый многими вредными бактериями. При наличии этого фермента гидрогель начинает разрушаться и высвобождает содержащиеся в нем антибиотики. Если вредных бактерий нет, гидрогель остается целым и сохраняет лекарство внутри.

«Устойчивость к противомикробным препаратам — серьёзная проблема во всём мире, поэтому нам нужны более эффективные подходы к использованию антибиотиков, — говорит Анита Шукла, профессор инженерной школы Брауновского университета, которая руководила разработкой «умного» гидрогеля. — Мы создали материал, который высвобождает антибиотики только при наличии вредных бактерий, тем самым ограничивая воздействие антибиотиков, когда они не нужны, но при этом обеспечивая доступ к этим важным препаратам в случае необходимости».

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, ученые протестировали гидрогель и обнаружили, что он обладает высокой селективностью в отношении ферментов, вырабатываемых распространенными бактериями, вызывающими раневые инфекции. Полученные данные также свидетельствуют о том, что этот материал может эффективнее устранять инфекции и способствовать заживлению ран, чем гидрогелевые повязки, которые в настоящее время используются в клинической практике.

Как работает гидрогель с высвобождающимся антибиотиком

Гидрогели — это желеобразные материалы, состоящие в основном из воды и длинных полимерных молекул. Более мелкие молекулы, называемые сшивающими агентами, соединяют эти полимеры и помогают гидрогелю сохранять свою структуру. В этом материале команда использовала сшивающий агент, который разрушается при контакте с ферментами, известными как бета-лактамазы, которые вырабатываются многими видами бактерий. Как только начинается разрушение, гидрогель распадается и высвобождает содержащиеся в нем антибиотики.

В ходе испытаний в чашках Петри материал разрушался только в присутствии вредных бактерий, вырабатывающих бета-лактамазы. При контакте только с безвредными бактериями, которые не вырабатывают эти ферменты, гидрогель оставался целым и не способствовал развитию резистентности к антибиотикам при длительном контакте с повязкой.

На изображении слева под микроскопом видна необработанная рана с бактериями. На правом изображении обработанная рана без бактерий. Фото: Университет Брауна

По словам исследователей, такая чувствительность к бета-лактамазам важна, поскольку она позволяет высвобождать антибиотики только при наличии бактерий, вызывающих инфекцию. Это может значительно снизить воздействие на полезные микроорганизмы, которые в норме обитают на коже.

Исследование также показало, что материал надежно удерживает антибиотик до тех пор, пока не начнется его разрушение. «Это действительно очень стабильная формула, которая не позволяет лекарству вытечь, — говорит Шукла. — Оно остается внутри до тех пор, пока не начнется активная выработка бета-лактамазы, которая может привести к разрушению гидрогеля».

Исследования на мышах показали превосходную эффективность в борьбе с инфекциями

В ходе экспериментов на мышах исследователи обнаружили, что однократное применение гидрогеля полностью устраняет бактериальную инфекцию при ссадинах. Новая повязка также показала лучшие результаты по сравнению с широко используемыми противомикробными повязками как в борьбе с бактериями, так и в заживлении ран.

В целом полученные результаты указывают на потенциальную новую стратегию лечения раневых инфекций с сохранением эффективности важных антибиотиков. Исследования показывают, что инфекции, устойчивые к антибиотикам, ежегодно уносят жизни более 1 миллиона человек по всему миру. Если не предпринимать усилий по сокращению чрезмерного использования антибиотиков, к 2050 году устойчивость к противомикробным препаратам может стать причиной почти 10 миллионов смертей в год.

«Наши результаты показывают, что эти «умные» гидрогели, реагирующие на бактериальные ферменты, могут обеспечить целенаправленное уничтожение инфекции по требованию, сводя к минимуму ненужное применение антибиотиков, — заключают исследователи. — Наша гидрогелевая система высвобождает антибиотик только в присутствии бактерий, продуцирующих бета-лактамазу, что обеспечивает эффективное лечение и снижает риск развития резистентности к антибиотикам».

Команда запатентовала материал и продолжает развивать технологию для возможной последующей коммерциализации.