Перспективы создания антибактериальных препаратов на основе наночастиц меди

УДК 615.281.9

ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫХ ПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ МЕДИ

© С.И. Гульченко, А.А. Гусев, О.В. Захарова

Ключевые слова: наночастицы меди; токсичность; антибактериальные материалы.

Анализ существующих исследований показывает перспективность использования бактерицидной активности медных наночастиц ввиду их невысокой себестоимости и сравнительно низкой экологической опасности. Однако, в отличие от серебряных наночастиц, медные обладают очень низкой стабильностью вследствие легкого окисления и поэтому менее исследованы. Таким образом, для разработки бактерицидных препаратов на основе наночастиц меди требуется пополнение экспериментальных данных об их антимикробной активности.

Повышение резистентности различных патогенных микроорганизмов к антибиотикам является серьезной проблемой, чреватой такими неприятными последствиями, как грядущая эра «постантибиотиков». Проблема резистентности микроорганизмов не нова, она существовала еще до открытия первого антибиотика. В связи с широким и часто ненаправленным применением антибиотиков в последнее время особенно заметно возросло число штаммов, резистентных к одному или нескольким антибиотикам. Штаммы некоторых бактерий обладают первичной резистентностью к определенным антибиотикам (например, Pseudomonas к ампициллину), другие же, в принципе чувствительные, могут стать резистентными [1-2].

В прошлом фармацевтическая промышленность решала проблему резистентности путем производства нового, более эффективного антибиотика. Однако на сегодняшний день не существует никакого принципиально нового класса антибиотиков, приемлемого для клинического применения, а разработка новых препаратов может занять 10-15 лет [1].

Увеличение устойчивости к антибактериальным препаратам определяется разными причинами: изменением проницаемости клеточной оболочки бактерий для антибактериальных препаратов; изменением свойств мишеней, которые становятся невосприимчивыми к бактерицидному действию какого-либо препарата; эфлюксом препарата из микробной клетки; образованием микробной клеткой специфических энзимов, которые модифицируют химическую структуру лекарственных средств вплоть до утраты ими антимикробной активности [3].

Накопление фактических данных о неуклонно возрастающей антибиотикорезистентности микроорганизмов и ее роли в развитии и исходах инфекционного процесса послужило мощным стимулом для разработки новых бактерицидных средств [4]. Одним из перспективных направлений в решении данной проблемы является применение нанобиотехнологий, направленных на совершенствование специфических свойств наночастиц металлов, определяемых их структурной модификацией, что позволяет достигать различных

биологических эффектов, в т. ч. и антибактериальных

[3].

Благодаря широкому нахождению в природе, выполнению разнообразных функций внутри большинства живых организмов, относительно низкой себестоимости и экологической безопасности наночастицы меди (Cu) обладают высоким потенциалом для применения в качестве антимикробного агента, заменяя серебро и композиты других благородных металлов при разработке антибактериальных средств [5].

Наночастицы меди проявляют ярко выраженную биологическую активность, в т. ч. бактериостатическое и бактерицидное действия. Имеются отдельные примеры изучения бактерицидного эффекта наночастиц меди на штаммы Е. coli, St. aureus [6]. Препараты меди, введенные в организм животных в виде наночастиц, обладают пролонгированным действием и меньшей токсичностью по сравнению с солями. Наночастицы меди при введении в организм стимулируют механизмы регуляции микроэлементного состава и активность антиоксидантных ферментов [7-8].

В работе Maqusood Ahamed et al. [9] были исследованы антимикробные свойства наночастиц оксида меди, синтезированных методом простого осаждения. Наночастицы CuO показали отличную антимикробную активность в отношении различных штаммов бактерий (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumonia, Enterococcus faecalis, Shigella flexneri, Salmonella typhimurium, Proteus vulgaris, and Staphylococcus aureus) причем, Escherichia coli и Enterococcus faecalis показали наибольшую чувствительность к воздействию наночастиц меди, в то время как Klebsiella pneumonia была наименее чувствительна.

Похожая зависимость антимикробного эффекта, оказываемого металлическими наночастицами, от вида бактерий показана в работе Jayesh P. Ruparelia et al. [10]. Исследование бактерицидных свойств наночастиц серебра и меди проводилось диско-диффузионным методом на четырех штаммах E. Coli, Bacillus subtilis и трех штаммах Staphylococcus aureus. Бактериальная чувствительность к наночастицам варьировалась в зависимости от вида микроорганизмов. Исследования с E.coli и Staphylococcus aureus показали большую эф-

фективность наночастиц серебра по сравнению с наночастицами меди, в то время как Bacillus subtilis показала самую высокую чувствительность к наночастицам меди. Кроме того, для наночастиц меди заметная отрицательная корреляция наблюдалась в зоне ингибирования на основе жидких культур с различных штаммов.

Авторами [11] показано, что наноразмерные частицы Cu способны проявлять антимикробные свойства по отношению к широкому спектру микроорганизмов, включая патогенные бактерии. Согласно полученным экспериментальным данным цитотоксичность наночастиц Cu обуславливается не только малым размером частиц, высоким значением удельной поверхности и тесным взаимодействием с микробной мембраной, но и образованием выщелоченных медно-пептидных комплексов, за счет которых в несколько раз увеличивается генерация активных форм кислорода (АФК), уменьшается жизнеспособность клеток и ингибирует общий рост биомассы [11]. Другими авторами на примере наночастиц йодида меди была установлена токсичность по отношению к бактериям вследствие разрушительного воздействия наночастиц на бактериальную мембрану и образованию АФК [12].

При выдерживании суспензий наночастиц меди может происходить высвобождение ионов Cu2+ в питательную среду, поскольку медь обладает высокой реакционной активностью [13]. Следовательно, оценивая бактерицидный эффект наночастиц, следует учитывать не только прямое воздействие наночастиц на мембрану бактерии, но и присутствие ионов Cu2+ в суспензии.

В работе греческих ученых Giannousi K., et al. [14] исследована антибактериальная активность наночастиц меди синтезированных гидротермальным путем в отношении грамположительных (Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus) и грамотрицательных (Xanthomonas campestris, Escherichia coli) бактерий в зависимости от состава (CuO, Cu2O, CuO/Cu2O) и размера частиц. Результаты исследования показывают, что при воздействии различных по составу и размеру частиц проявляются видоспецифичные биологические эффекты. Наибольшую бактерицидную активность, вызывающую деградацию ДНК, проявили наночастицы оксида меди (Cu2O) в отношении грамположительных бактерий. В связи с этим дополнительно было проведен анализ производства активных форм кислорода (АФК) и перекисного окисления липидов, который показал, что количество ионов меди в дистиллированной воде и в питательной среде, ниже критического значения, подавляющего рост бактерий, что может говорить о преобладающем наноразмерном эффекте.

Противоположные результаты были получены в работе Chatterjee A. et al., где авторы исследовали возможные механизмы антибактериального действия наночастиц меди. Однако их данные свидетельствуют о большем влиянии ионной формы меди на ДНК бактерий [15].

Группой российских ученых проводятся работы по исследованию влияния природы растворителя и периода хранения коллоидного раствора наночастиц меди на их биологическую активность по отношению к бактериям [16]. Полученные результаты свидетельствуют о том, что антибактериальные свойства наночастиц меди значительно изменяются в зависимости от дисперсионной среды и времени хранения раствора.

В исследовании А.А. Рахметовой [17] показано, что наночастицы меди, с одной стороны, обладают слабой

токсичностью, с другой стороны, проявляют высокий антимикробный эффект по отношению к клеткам тест-культур Г+ и Г- микроорганизмов, что создает предпосылки для использования их в составе ранозаживляющих препаратов.

Современным направлением лечения раневых инфекций является применение адсорбентов с антибактериальными свойствами. Наночастицы меди являются перспективными с точки зрения использования в бактерицидных пластырях и повязках, ввиду того, что ткани человека не проявляют высокой чувствительности к меди [18], в то время как микроорганизмы очень чувствительны к ней [19]. Так, в работе С.С. Тимофеева [20] на примере микроорганизмов E. тН была показана антимикробная активность сорбентов с различным содержанием Си и Zn. Результаты исследования показали, что снижение концентрации бактерий E. тН в суспензии зависит от содержания меди или цинка в сорбенте и времени контакта образцов с бактериальной суспензией при исходной концентрации микроорганизмов 2*107 КОЕ/мл. Обнаружено, что через 3 часа контакта бактерий с наночастицами микроорганизмы полностью отсутствуют в пробе. Антимикробное действие полученных сорбентов основано на способности меди или цинка взаимодействовать с микроорганизмами, нарушая метаболизм микробной клетки, что приводит к ее гибели.

Высокая антибактериальная активность шерстяной ткани с включением ионов меди была показана в работе Heliopoulos N.S., et а1. [21] на примере E. тН. Также на основе наночастиц Си и СиО разработаны антимикробные агенты, которые при введении в состав нетканого льняного полотна обеспечивают его антибактериальные и сохраняют его эстетические и эксплуатационные свойства [22]. Такие данные указывают на перспективность создания бактерицидных пластырей, повязок и препаратов с включением медных наночастиц и ионов меди.

Индийскими учеными получено бамбуковое вискозное полотно, которое может быть использовано в качестве медицинского текстиля для предотвращения перекрестных инфекций. Для придания материалу бактерицидных свойств его обрабатывают сульфатом меди с последующим химическим восстановлением. Продукт показал антибактериальную активность против грамположительных и грамотрицательных бактерий, и, кроме того, биоцидное действие проявляется даже после 50-ти стирок [23].

На основе исследований, выполненных авторами в работе К.Г. Лопатько и др. [24] было разработано бактерицидное вещество, которое в виде серебряномедного коллоидного раствора выпускается по ТУ У 24.2-05510830-007:20іО для изготовления дезинфекционных, дезинсекционных, косметических и терапевтических препаратов.

Анализ существующих исследований показывает перспективность использования бактерицидной активности медных наночастиц ввиду их невысокой себестоимости и сравнительно низкой экологической опасности. Однако, в отличие от серебряных наночастиц, медные обладают очень низкой стабильностью вследствие легкого окисления и поэтому менее исследованы. Таким образом, для разработки бактерицидных препаратов на основе наночастиц Си требуется пополнение экспериментальных данных об их антимикробной активности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антибиотики: современная точка зрения. URL: http://www.lvrach.ru/ 1998/01/4526487/. Загл. с экрана.

2. Проблема резистентности (устойчивости) к антибиотикам. URL: http://biofile.ru/bio/4271.html. Загл. с экрана.

3. Шульгина Т.А., Норкин И.А., Пучиньян Д.М. Антибактериальное действие водных дисперсий наночастиц серебра на грамотрица-тельные микроорганизмы (на примере Escherichia coli) // Фундаментальные исследования. 2012. № 7 (ч. 2). С. 424-426. URL: http://www.rae.ru/fs/?article_id=9999374&op=show_article§ion=c ontent. Загл. с экрана.

4. Арчаков А.И., Ипатова О.М., Медведева Н.В., Иванов Ю.Д., Дрожжин А.И. Нанобиотехнология и наномедицина // Биомедицинская химия. 2006. № 6. С. 529-546.

5. Veerapandian M., Sadhasivam S., Choi J., Yun K. Glucosamine func-tionalized copper nanoparticles: Preparation, characterization and enhancement of anti-bacterial activity by ultraviolet irradiation // Chemical Engineering Journal. 2012. V. 209. P .558-567.

6. Богословская О.А., Астротина А.Б. и др. Влияние наночастиц меди на рост микробных клеток // Науч.-практ. конф. «Новая технологическая платформа биомедицинских исследований (биология, здравоохранение, формация)». Ростов н/Д, 2006. С. 72-73

7. Глущенко Н.Н., Богословская О.А., Ольховская И.П. Сравнительная токсичность солей и наночастиц металлов и особенность их биологического действия // Нанотехнология - технология XXI века: тез. докл. М., 2006. С. 93-95.

8. Арсентьева И.П., Зотова Е.С., Фолманис Г.Э. и др. Аттестация и применение наночастиц металлов в качестве биологически активных препаратов // Нанотехника. Спец. выпуск «Нанотехнологии-медицине». 2007. № 2. (10). С. 72-77

9. Maqusood Ahamed, Hisham A. Alhadlaq, M. A. Majeed Khan, Ponmu-rugan Karuppiah and Naif A. Al-Dhabi. Synthesis, Characterization, and Antimicrobial Activity of Copper Oxide Nanoparticles // Volume 2014 (2014). Article ID 637858. 4 p.

10. Jayesh P. Ruparelia, Amp Kumar Chatterjee, Siddhartha P. Duttagup-ta, Suparna Mukherji. Strain specificity in antimicrobial activity of sil-verand copper nanoparticles // Acta Biomaterialia. 2008. V. 4. Issue 3. P. 707-716.

11. Gunawan С., Teoh W.Y., Marquis C.P., Amal R. Cytotoxic origin of copper (II) oxide nanoparticles: comparative studies with micron-sized particles, leachate, and metal salts // ACS Nano. 2011. V. 5. P. 72147225.

12. Pramanik А., Laha D., Bhattacharya D., Pramanik P., Karmakar P. A novel study of antibacterial activity of copper iodide nanoparticle mediated by DNA and membrane damage // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2012. V. 96. P. 50-55.

13. Midander K., Wallinder I.O., Leygraf C. In vitro studies of copper release from powder particles in synthetic biological media // Environmental Pollution. 2007. V. 145. P. 51-59.

14. Giannousi K., Lafazanis K., Arvanitidis J., Pantazaki A., Dendrinou-Samara C. Hydrothermal synthesis of copper based nanoparticles: antimicrobial screening and interaction with DNA // Journal of Inorganic Biochemistry. 2014. V. 133. P. 24-32.

15. Chatterjee A.K., Chakraborty R., Basu T. Mechanism of antibacterial activity of copper nanoparticles // Nanotechnology. 2014. Apr 4. V. 25

(13).

16. Zakharova O.V., Gusev A.A., Godymchuik A.Yu., Senatova S.I., Kuznetsov D. V. Influence of the Solvent Nature and Storage Period of Colloid Solution of Cuprum Nanoparticles upon their Antimicrobial Activity // Abstracts of 7 International Nanotoxicology congress «NANO-T0X-2014», April 23-26, 2014. Antalya, 2014. P. 207-208.

17. Рахметова А.А. Изучение биологической активности наночастиц меди, различающихся по дисперсности и фазовому составу: авто-реф. дис .... канд. биол. наук. М., 2011. 25 с.

18. Hostynek J.J., Maibach H.l. Copper hypersensitivity: dermatologic aspects-an overview // Reviews on Environmental Health. 2003. V. 18 (3). P. 153-183.

19. Borkow G., Gabbay J. Putting copper into action: copper-impregnated products with potent biocidal activities // FASEB Journal. 2004. V. 18. P. 1728-1730.

20. Тимофеев С.С. Оксиление нанопорошков Al/AlN/Cu и Al/AlN/Zn

водой для получения микробилологически активных сорбентов // Сборник научных трудов 10 Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». Россия, Томск, 23-26 апреля 2013 г. / Национальный Исследовательский Томский политехнический университет, 2013. URL: http://science-persp.tpu.ru/Previous%20Materials/Konf_2013.pdf.

1027 с.

21. Heliopoulos N.S., Papageorgiou S.K., Galeou A., Favvas E.P., Katsa-ros F.K., Stamatakis K. Effect of copper and copper alginate treatment on wool fabric. Study of textile and antibacterial properties // Surface & Coatings Technology. 2013. V. 235. P. 24-31.

22. Антимикробные агенты. Патент РФ 2446810. URL: http://www.fin-dpatent.ru/patent/244/2446810.html. Загл. с экрана.

23. Teli MD, Sheikh J. Modified bamboo rayon-copper nanoparticle composites as antibacterial textiles // International Journal biological macromolecules. 2013. Oct. V. 61. Р. 302-307.

24. Лопатько К.Г., Афтандилянц Е.Г., Зауличный Я.В., Карпець М.В. Получение и применение наночастиц содержащих медь и серебро // Труды института проблем материаловедения им. И.Н. Францевича. 2010. № 1. С. 232-243.

Поступила в редакцию 24 июля 2014 г.

Gulchenko S.I., Gusev A.A., Zakharova O.V. PROSPECTS FOR CREATION ANTIBACTERIAL PREPARATIONS BASED ON COPPER NANOPARTICLES

Analysis of existing research shows promising use of bactericidal activity of copper nanoparticles due to their low cost and relatively low environmental hazard. However, unlike the silver nanoparticles, copper has a very low stability due to easy oxidation and therefore less studied. Thus, development of copper nanoparticle microbicides requires replenishment of experimental data of the antimicrobial activity.

Key words: nanoparticles of copper; toxicity; antibacterial materials.

Гульченко Святослав Игоревич, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация, студент, кафедра функциональных наносистем и высокотемпературных материалов, e-mail: svyatoslavgi@live.ru

Gulchenko Svyatoslav Igorevich, National University of Science and Technology “MISiS”, Moscow, Russian Federation, Student, Functional Nanosystems and High-temperature Materials Department, e-mail: svyatoslavgi@live.ru

Гусев Александр Анатольевич, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, зав. лабораторией медицинской экологии и нанотоксикологии, НОЦ «Нанотехнологии и наноматериалы», e-mail: nanosecurity@mail.ru

Gusev Aleksander Anatolyevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Head of Laboratory of Medical Ecology and Nanotoxicology, SEC “Nanotechnologies and Nanomaterials”, e-mail: nanose-curity@mail.ru

Захарова Ольга Владимировна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, студент, кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности, e-mail: olgazakharova1@mail.ru Zakharova Olga Vladimirovna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Student, Ecology and Life Safety Department, e-mail: olgazakharova1@mail.ru