Сравнительный анализ антимикробной активности наночастиц металлов

© ФРОЛОВА А.В., ГЕНЕРАЛОВ И.И., 2012

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АНТИМИКРОБНОЙ АКТИВНОСТИ

НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

ФРОЛОВА А.В., ГЕНЕРАЛОВ И.И.

УО ««Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет»,

кафедра клинической микробиологии

Резюме. Образцы синтетических и натуральных тканей с различным металлическим нанопокрытием исследованы в качестве перспективного сырья при разработке перевязочных материалов для местного лечения раневой инфекции. In vitro проведен сравнительный анализ антимикробной и антимикотической активности вискозы, органзы, полиэфира, хлопка с напылением наночастиц меди, серебра, цинка. Установлено, что вискозная ткань с напылением серебра в отличие от всех остальных образцов проявила достоверно более выраженный антимикробный эффект в отношении исследованной грамположительной и грамотрицательной микрофлоры, а также дрожжеподобного гриба C. albicans. Наиболее чувствительным ко всем исследованным образцам оказался грамположительный возбудитель Bacillus subtilis.

Ключевые слова: наночастица, антимикробная активность, антимикотический эффект, раневая инфекция.

Abstract. Samples of synthetic and natural fabrics with different metallic nanoparticles were investigated as promising materials for the development of dressings to be used for local treatment of wound infections. The comparative analysis of antimicrobial and antimycotic activity of viscose, organza, polyester, cotton coated with nanoparticles of copper, silver and zinc was made in vitro. The viscose fabric with silver plating was found to possess unlike all other samples a significantly greater antimicrobial effect against the studied gram-positive and gram-negative microflora as well as yeast-like fungus C. albicans. The most sensitive to all the samples studied turned out to be gram-positive pathogen Bacillus subtilis.

Разработка и внедрение в медицинскую практику текстильных материалов и изделий из них является новым научно-практическим направлением работ в борьбе с гнойной инфекцией [1]. Использование нанотехнологий в этом направлении позволяет создавать такие перевязочные средства, введенный препарат из которых непрерывно в микродозах, безопасных для макроорганизма, но достаточных для подавления роста патогена,

Адрес для корреспонденции: 210023, г.Витебск, пр-т Фрунзе, 27, Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет, кафедра клинической микробиологии. Тел.: 8 (0212) 37-24-52 -Фролова А.В.

поступает в рану, оказывая пролонгированный антимикробный эффект.

В настоящее время благодаря достижениям науки появились новые возможности целенаправленного и дифференцированного использования современных перевязочных средств на различных этапах процесса раневого заживления. Актуальность создания и изучения наноматериалов, обладающих антимикробными свойствами, приобретает особое значение в связи с ростом резистентности бактерий к большинству антибиотиков и антисептиков [2-4].

В поисках новых антибактериальных агентов представляют интерес научные исследования, посвященные изучению ак-

тивности металлов, в частности серебра, его ионов, наночастиц [5-8], которые по размеру близки большинству биологических макромолекул. Их высокая химическая активность, обусловленная большой удельной площадью поверхности и особенной структурой, превосходит активность ионов.

Эффективными носителями антимикробных агентов при создании раневых покрытий являются искусственные и синтетические волокна. В виде шовных материалов и в качестве сосудистых протезов широко применяются синтетические нити. Нанесение на них антимикробного компонента в виде нанопокрытия позволяет избежать развития послеоперационного осложнения по ходу шва.

Широко используются хлопчатобумажные (ткань, марля), целлюлоза, модифицированная акриловой кислотой, окисленные целлюлозные и вискозные волокна, фторолоновые соединения, нетканые материалы из поливинилспиртовых волокон, активированные дихлоризоциа-нуратом натрия или перекисью водорода, гидрогелевые материалы на основе по-лигидрооксиэтиметакрилата, различные губки и пленки.

Отечественная промышленность выпускает широкий арсенал тканевых полотен, которые могли бы выступить сырьем для разработки перевязочных средств.

Целью данной работы явилось установить наличие и выраженность антимикробной активности у металлизированных образцов тканей в отношении возбудителей хирургической инфекции.

Методы

Для сравнительного анализа взяты 11 образцов (вискоза с напылением серебра, меди, цинка, ткань «Эллис», орган-за (п=2), ткань хлопчатобумажная, ткань хлопчато-полиэфирная (п=2), ткань полиэфирная, полотно сетчатое полиэфирное с напылением меди).

Все материалы были выпущены отечественными производителями и предо-

ставлены сотрудниками УО «ВГТУ». Различные наноразмерные покрытия меди, серебра, цинка были нанесены на ткани методами вакуумного ионно-плазменного магнетронного и вакуумно-дугового напыления.

Определение антимикробной активности образцов в эксперименте in vitro проводилось методом диффузии в агар. С этой целью на чашку Петри с мясопептон-ным агаром вносили взвесь суточной культуры исследуемого стандартного штамма микроорганизма (S. aureus АТСС 25923,

B. subtillis АТСС 6633, E. coli АТСС 25922, P. aeruginosa АТСС 27853, A. baumanii АТСС 12759, K. pneumoniae АТСС 13883,

C. albicans АТСС 10231) или его клинического изолята в концентрации 0,5 ЕД по МcFarland при измерении на денсометре. Клинические штаммы были изолированы из патологического материала пациентов с гнойно-воспалительными заболеваниями, находившихся на лечении в Республиканском научно-практическом центре «Инфекция в хирургии», отделении оториноларингологии УЗ «Витебская областная клиническая больница» и отделении проктологии УЗ «Вторая Витебская областная клиническая больница».

Сверху на засеянный агар накладывали диски из фрагментов металлизированных материалов (диаметром 6 мм) и после суточной инкубации в термостате при t=37^ или через 48 часов при t=28^ (для C. albicans) измеряли диаметры зон ингибирования роста микроорганизмов. О выраженности антимикробной активности судили по размеру зоны. При отсутствии зоны задержки роста считали, что антимикробная активность отсутствует.

Полученные данные статистически обрабатывали с помощью программы Statistica 7.0, MS Excel 2002 с использованием методов описательной статистики, теста Mann-Whitney (Wilcoxon).

Результаты и обсуждение

Как показали исследования, штаммы

A. baumanii, K. pneumoniae, P. aeruginosa

проявили 100% резистентность к изучаемым образцам. Антимикробная и антими-котическая активность в отношении всех возбудителей отсутствовала у хлопчатобумажной ткани - марли медицинской с медным напылением.

Образцы тканей (за исключением трех) с медным и серебряным нанопокрытием проявили высокую антимикробную активность в отношении грамположи-тельной микрофлоры, при этом против

B.subtilis эффект был достоверно более выражен. Самыми эффективными оказались образцы № 1 и 4, диаметры зоны ингибирования роста возбудителя ими составили 21,60±0,55 мм и 19,80±0,45 мм соответственно. Менее выраженный антимикробный эффект был присущ образцам № 5, 9, 10, 11, диаметры зоны ингибирования роста возбудителя которыми составили 18,80±0,45 мм, 18,20±0,45 мм, 19,00±0,71 мм, 18,00±0,00 мм соответственно. Слабым эффектом обладал образец № 2 (диаметр зоны ингибирования составил 10,80 ± 0,84 мм), вискоза с цинковым напылением (образцы № 3 и 6), марля с нанесенной медью не проявили антимикробного эффекта в отношении данного возбудителя.

Зоны ингибирования роста S. aureus изученными образцами полотен с нанопокрытием были следующими: № 1 - 18,60 ± 0,55 мм, № 4 - 17,20 ± 0,45 мм, № 5 - 17,40 ±

0,55 мм, № 9 - 17,20 ± 0,45 мм, № 10 - 19,40 ± 0,55 мм, № 11 - 17,00 ± 0,00 мм. При этом у образцов № 3, 6, 8 в отношении всех штаммов стафилококков антимикробный эффект отсутствовал.

В отношении E. coli оказались неэффективными образцы № 6, 8, 9, 10. Однако полотну из вискозы с напылением серебра присуща выраженная антимикробная активность в отношении данного возбудителя, зона ингибирования роста составила 15,20 ± 0,45 мм, что достоверно отличалось от всех остальных изучаемых видов полотен. Так, зона ингибирования роста E. coli органзой с медным напылением составила 12,60 ± 0,55 мм, хлопчато-полиэфирной тканью также с медным покрытием - 12,40

± 0,55 мм, что достоверно превосходило значения у образцов № 5, 7, 11 - 7,60 ± 0,55 мм, 8,00 ± 0,00 мм, 7,20 ± 0,45 мм соответственно.

Дрожжеподобный гриб C. albicans в различной степени проявил чувствительность к образцам № 1, 4, 5, 10, 11 с серебряным и медным напылением, зоны ингибирования роста при этом составили: 10,00 ±

0.00 мм, 7,00 ± 0,00 мм, 7,00 ± 0,00 мм, 9,40 ± 0,55 мм, 7,20 ± 0,45 мм соответственно.

Сравнительная оценка антимикробного эффекта каждого из исследуемых образцов материалов с различным напылением в отношении представителя грамположительной микрофлоры (на примере B. subtilis) приведена на рисунке

1. С помощью инвертированного микроскопа удалось получить изображение, подтверждающее, что, например, образец №11 (полотно сетчатое полиэфирное с медным напылением) проявляет выраженный антимикробный эффект в отношении этого грамположительного возбудителя раневой инфекции, десорбируя металл не только локально, на место наложения на засеянный агар, но и в окружающее пространство, что приводит к образованию прозрачной зоны ингибирования роста микроорганизма (рис. 2).

Рисунок 3 отражает выраженность антимикробной активности каждого из образцов полотен с нанопокрытием в отношении всех исследованных штаммов возбудителей.

Степень чувствительности исследованных штаммов к изучаемым образцам полотен с нанопокрытием показана на рисунке 4.

На рисунке 5 отражена степень выраженности антимикробного эффекта материала с напыленным серебром - достоверно самого эффективного образца в отношении исследуемой грамположитель-ной и грамотрицательной микрофлоры и дрожжеподобного гриба C. albicans.

Заключение

Полученные данные позволяют сформулировать следующие выводы.

Рис. 1. Диаметры зон ингибирования роста B. знЫШ^. образцы 1, 2, 3, 6 - вискоза с различным напылением, 4 - ткань хлопчатополиэфирная, 5 - ткань «Эллис»,

7, 10 - органза с различным напылением,

8 - ткань хлопчатобумажная с медным напылением, 9 - ткань полиэфирная с медным напылением, 11 - полотно сетчатое полиэфирное с медным напылением.

Рис. 2. Зона ингибирования роста. B. знЫШз образцом № 11 (изображение под инвертированным микроскопом).

0

1

I

I

'О

25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

B. subtilis S. aureus E. coli P. aeruginosa A. baumanii K. C. albicans

pneumoniae

№ 1  № 2  № 3  № 4  № 5  № 6  № 7  № 8  № 9  № 10  № 11

0

Рис. 3. Диаметры зон ингибирования всех исследованных возбудителей различными образцами тканей.

Проведенные бактериологические исследования in vitro явно продемонстрировали, что антимикробная активность металлизированных тканей находится в

прямой зависимости от использованного металла для нанопокрытия, от химического состава материала и его структуры.

*

£ § QD S

0

а *

=3 с; \о <Ь =3 Р

3? =3

1 ю

=» S 1 § 11 I 8

(С

3

ю

B. subtilis OS. aureus ПЕ. coli ПР. aeruginosa ПЛ. baumanii ПК. pneumoniae ПО. albicans

Рис. 4. Степень чувствительности возбудителей к изучаемым образцам полотен с нанопокрытием.

Рис. 5. Диаметр зоны ингибирования роста возбудителей образцом материала с напыленным серебром.

Достоверно более выраженный антимикробный и антимикотический эффект в отношении изученных штаммов возбудителей раневой инфекции - грамположительных (S. aureus, B. subtilis), грамотрицательного (E. coli) и

дрожжеподобного гриба - C. albicans, присущ образцу с напыленным серебром.

Достоверно наиболее чувствительным к исследованным образцам оказался грамположительный возбудитель Bacillus

БиЫШБ, проявивший резистентность лишь в трех случаях.

Литература

1. Ерюхин, И.А., Гельфанд, Б.Р., Шляпников, С.А. Хирургические инфекции: руководство / И.А. Ерюхин, Б.Р. Гельфанд, С.А. Шляпников. - СПб.: Питер, 2003. - 864 с.

2. Косинец, А.Н., Стручков, Ю.В. Инфекция в хирургии: руководство / А.Н. Косинец, Ю.В. Стручков. - Витебск: ВГМУ, 2004. - 510 с.

3. Абаев, Ю.К. Современные особенности хирургической инфекции / Ю.К. Абаев // Вестн. хи-

рургии. - 2005. - Т. 164, № 3. - С. 107-111.

4. Блатун, Л.А. Некоторые аспекты госпитальной инфекции / Л.А. Блатун // Врач. - 2005. -№1. - С. 3 - 5.

5. Бухарин, О.В. Механизмы персистенции бактериальных патогенов / О.В. Бухарин // Вестн. РАМН. - 2000. - № 2. - С. 44-49.

6. Даценко, Б.М. Теория и тактика местного лечения гнойных ран / Б.М. Даценко. - Киев: Здоров'я, 1995. - 380 с.

7. Абаев, Ю.К. Раневые повязки в хирургии / Ю.К. Абаев // Мед. новости. - 2003. - № 12. - С. 66-69.

8. Абаев, Ю.К. Хирургическая повязка / Ю.К. Абаев. - Минск: Беларусь, 2005. - 150 с.

Поступила 22.11.2012 г. Принята в печать 03.12.2012 г.