Диссертация (Эластомерные материалы на основе бутадиен-стирольных термоэластопластов с повышенной устойчивостью к образованию бактериальных биопленок), страница 3

В большинстве случаев это химически агрессивныевещества, разрушающие биологически активные соединения, из которыхсостоят живые клетки — прежде всего белки. Классическими агентамихимической стерилизации являются, например, хлорная известь и озон.Деструктивное действие данных агентов на клетки микробов основано, какправило, на глубоком окислении белков и других структурных биохимическихсоединений клеток. Такие агенты в силу своей агрессивности используютсяограниченно, а процедура стерилизации всегда носит периодический характер.В тех случаях, когда стерилизовать необходимо сложный и уязвимый квоздействию агрессивных химикатов объект, обычно используют мягкуюстерилизацию физическими методами, например, стерилизацию нагревомпищевых продуктов.В тех случаях, когда стерилизация является излишней или опасной, длязащиты от микробов применяются методы более мягкого воздействия.

Вчастности,впищевойпромышленностираспространенапроцедураконсервирования, при которой защищаемый объект (продукт питания)необязательно проходит процедуру жесткой стерилизации с уничтожениемвсех форм микробов, поскольку такое воздействие отрицательно сказываетсяна качестве продукта, который состоит из тех же классов биохимическихсоединений,чтоивредоносныемикробы.Вмедицинскойпрактике13стерилизации подвергаются только лишь помещения, оборудование иинструменты,аиспользованиестерилизующеговоздействиянаинфицированный организм исключено. В этих случаях используют рядхимическихвеществ,подавляющихжизнедеятельностьмикробовбездеструктивного воздействия на первичные биохимические структуры [4,5].Такие вещества носят название антимикробных агентов. Поскольку они неявляются разрушительными для любой формы живого организма, их все можноразделить по типу микробов, на которые они воздействуют, например,антибактериальные,противогрибковые,противопротозойные,противовирусные агенты.

Также классификация данных веществ проводится потипу их воздействия на клетки микробов. Агенты, вызывающие гибель клеток,в общем случае называются биоцидами (бактерицидные агенты в случаебактерий, фунгицидные в случае грибов и т.д.). Агенты, препятствующиеразмножениюмикробов,носятназваниестатиков(бактериостатики,фунгистатики и др.). Кроме того, антимикробные агенты различаются поизбирательности действия: от агентов широкого спектра действия, влияющихна большинство видов микробов данного типа, до узкоспециализированныхпрепаратов, влияющих на жизнедеятельность всего одного или несколькихвидов (штаммов) микроорганизмов.Ситуация осложняется тем, что микроорганизмы, особенно бактерии,обладают способностью приспосабливаться к вредным факторам среды путемнаправленных мутаций, параллельного переноса генов и с помощью другихмеханизмов. В частности, широко известна проблема выработки бактериямирезистентности (невосприимчивости) к антибиотикам [5, 6], приводящая кнеобходимостичастойсменыданныхпрепаратовдлялечениярядабактериальных инфекций и имеющая мировое значение [26].Так или иначе, любой антимикробный агент нужно ввести в рабочуюсреду, где находится объект/изделие, для защиты последнего от воздействиямикроорганизмов.

Способ введения зависит как от характеристик окружающейсреды, так и от самого защищаемого объекта. Подходы к защите объекта14связаны прежде всего с тем, каким образом микроорганизмы взаимодействуютс ним и с окружающей средой.Основной формой существования большинства видов бактерий являетсябиопленка [1, 4] — колония бактерий на поверхности какого-либо субстрата,состоящая из самих клеток бактерий и их выделений, таких как межклеточныйматрикс с запасными питательными веществами, защитный полисахаридныйповерхностный слой и др. Свободноживущих, планктонных, видов бактерийкрайне мало — около 5% от всех известных видов.

Остальные могут свободнорасти и размножаться только в прикрепленном к субстрату виде, и формой ихколонии на субстрате чаще всего является именно биопленка. Другиемикроорганизмы — например, грибы, водоросли — также могут образовыватьаналогичные колонии на поверхности.Биопленкипредставляютсерьезноепрепятствиедляборьбысмикроорганизмами, их образующими. Эти колонии предназначены природойдля защиты микроорганизмов от внешних воздействий и представляют собойсвоего рода «укрытие» для них. Как было указано выше, жесткоестерилизующеевоздействиеназащищаемыйобъектврядеслучаевнереализуемо, но не всякое мягкое антимикробное действие способно«пробить» защиту биопленки. Внешняя оболочка биопленки служит щитом отвредных для микроорганизмов веществ.

Помимо этого, внутри биопленкипостоянно происходит размножение микроорганизмов.Схема развития бактериальной биопленки показана на рисунке 1.1.Развитие бактериальной биопленки проходит через следующие основныеэтапы.Первый этап — адгезия бактериальных клеток к поверхности субстрата.Большинство клеток бактерий имеют специальные придатки для закрепленияна поверхности — это пили (фимбрии, белковые цилиндрические нититолщиной 5-10 нм и длиной около 1 мкм) и жгутики (сложные подвижныебелковые структуры длиной до десятков микрометров, служащие также дляпередвиженияклеток)[1,4].Наконцахпилейнекоторыхбактерий15присутствуютбелкисоспецифическойтретичнойструктуройидополнительными функциональными группами, называемые адгезинами,которыеспособствуютприкреплениюбактерийксамымразличнымсубстратам.Рисунок 1.1. Стадии развития биопленки (по [120]).Второйэтап—выработкаклеткамимежклеточногоматрикса,соединяющего воедино, в одной среде, все прикрепленные клетки.Третий этап начинается с выработки клетками внешней полисахариднойзащитной оболочки биопленки.

С этого момента биопленка существует кактаковая. Клетки в матриксе начинают усиленно размножаться благодаря тому,что внешняя оболочка пропускает питательные вещества из среды, ноблокирует проникновение вредных веществ.Четвертый этап называется также этапом зрелости биопленки. Придостижении в матриксе определенной плотности клеток последние прекращаютделиться и выделяют ферменты, лизирующие внешнюю оболочку. Частьклеток при этом выходит в окружающую среду в поисках новых мест дляколонизации. Оставшиеся клетки восстанавливают внешнюю оболочку и сноваусиленно размножаются. Таким образом, цикл замыкается.16Исключительную важность данной форме колоний микроорганизмовпридают также следующие особенности.

Биопленка может быть образованасразу несколькими видами бактерий. Например, один вид является адгезионноактивным и его клетки прикрепляются к поверхности, начиная ее колонизацию.Теперь в матрикс, образованный этим видом, могут включиться (адгезировать)другие виды, которые были неспособны прикрепиться к «голому» субстрату.Они, в свою очередь, могут, например, создавать более прочную внешнююоболочку биопленки, или использовать из окружающей среды питательныевещества, непригодные для питания другими видами и переводить их вдоступные для всего населения колонии и др.Чередование периодов созревания и зрелости биопленки приводит нетолько к усиленному размножению и распространению бактерий в среде, но и кизменению характера взаимодействия со средой.

При образовании биопленки ворганизме человека, например, на эпителиальных тканях, болезнетворныебактериивнейоказываютсязащищеннымииотмедикаментозноговоздействия, и от действия факторов иммунной системы. Кроме того,присутствующие у человека во внутренней среде условно-патогенные бактериипоселяютсявданныхбиопленках,размножаютсявнихвместесболезнетворными и выходят из них на стадии зрелости в количествах,превышающих критическую массу, вызывая осложнения в виде вторичныхинфекций [5, 13, 14].Особуюопасностьпредставляютбактериальныебиопленки,формирующиеся на поверхности внедренных в организм (или приведенных сним в контакт) медицинских изделий (различных катетеров, протезов, зондов имногих других).

С одной стороны, бактерии оказываются защищены отмедикаментов и иммунитета собственной биопленкой, а с другой —материалом изделия. При этом они находятся в среде организма, размножаютсяи постоянно выделяют в нее новые порции клеток. Для борьбы с инфекциейприходится увеличивать дозы антибактериальных медикаментов, которые17являются токсичными для организма и не могут полностью подавить развитиебиопленки.Итак, поскольку со зрелой биопленкой бороться очень сложно, в мировойпрактике основной упор делается на препятствие образованию биопленок наповерхностях субстратов, будь то ткани организма человека, поверхностьвнедренных в организм изделий, поверхность упаковки пищевых продуктов имногих других [17-20].1.2.

Антимикробные поверхности из полимерных материаловТак или иначе, биопленка образуется на поверхности субстрата, и отсюдапроисходит общий подход и название методов борьбы — созданиеантибактериальных (в более общем случае — антимикробных) поверхностей.Все антимикробные поверхности принято делить на четыре типа [20]:высвобождающие, контакт-активные, антиадгезионные (отталкивающие) исамоочищающиеся.