Биопленки – это организованные сообщества бактерий, прикрепляющихся к поверхности и окружённые матриксом внеклеточных полимерных веществ. Они представляют собой наиболее распространенный способ существования бактерий в природе и являются серьезной проблемой в здравоохранении, пищевой промышленности и различных технических отраслях. Образование биопленок на медицинских имплантатах вызывает хронические инфекции, устойчивые к антибиотикам и иммунным ответам организма, что создает высокие риски для здоровья пациентов и значительные экономические затраты. Современные методы борьбы с биопленками традиционно базируются на использовании антимикробных покрытий, которые выделяют вещества, убивающие бактерии. Однако у этого подхода есть ограничения, включая ограниченную долговечность действия, развитие устойчивости бактерий и потенциальную токсичность.
В связи с этим все более актуальными становятся биоматериалы, которые своим микроструктурным дизайном способны предотвращать прикрепление бактерий без применения химических антибактериальных веществ. Микротопография как инструмент борьбы с биопленками основана на изучении того, как микро- и наноструктуры поверхности влияют на поведение бактерий. Форма, размер и распределение микропризматических элементов могут либо стимулировать, либо препятствовать адгезии и последующему развитию биопленок. Натуральные примеры таких поверхностей вдохновляют разработчиков: структура кожи акулы, лепестков растений или поверхностей насекомых демонстрируют уникальные антифouling-свойства. Недавние исследования показали, что с помощью комбинаторного подхода можно создавать библиотеки микротопографий, исследовать бактериальные реакции на тысячи вариантов и тем самым выявлять дизайны, способные радикально снижать бактериальную адгезию.
В частности, массив TopoChip, состоящий из более чем 2000 уникальных микротопографических элементов, позволил эффективно изучить взаимодействие бактериальных патогенов с поверхностями полиcтиpоловых полимеров. Важным открытием стало то, что структуры с высокой плотностью микропилларов с небольшими зазорами существенно снижают закрепление таких опасных бактерий, как Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Acinetobacter baumannii и Proteus mirabilis. При этом механизм их антиадгезивного эффекта оказался не просто физическим препятствием, а сложной биологической реакцией, опосредованной бактериями через систему кворум-сенсинга – форму внутриклеточной коммуникации. Кворум-сенсинг у Pseudomonas aeruginosa регулирует продукцию рhamnolipidов – биосурфактанта, обладающего автолубрифицирующими свойствами. Суть механизма состоит в том, что при попадании бактерий в замкнутые микроканалы и щели микротопографической поверхности происходит локальное накопление бактерий и концентрация сигнальных молекул.
Это активирует кворум-сенсинг, стимулирующий выделение рhamnolipidов, которые уменьшают адгезию клеток к поверхности за счёт создания скользящего слоя. В результате бактерии не закрепляются устойчиво, что нарушает формирование зрелых биопленок. Доказано, что при генетическом удалении ключевых ферментов, отвечающих за синтез рhamnolipidов, бактерии приобретают способность формировать биопленки даже на таких антиадгезивных микротопографиях. Восстановление этих функций при помощи экзогенного добавления сигнальных молекул или генетической комплементации приводит к возобновлению сопротивления к закреплению. Таким образом, роль микротопографии выходит за пределы простой физической фильтрации или свечения неровностей и вовлекает взаимодействие с сигнализацией бактерий.
Оптимальные характеристики микротопографий, выявленные с помощью методов машинного обучения, включают высокое покрытие поверхности элементами микропилларов и ограниченный размер промежутков между ними. Было установлено, что для обеспечения антиадгезивных свойств необходима определенная комбинация плотности, размера и формы структур – не слишком большие зазоры и достаточно компактные области микропилларов. Эти параметры способствуют локальному ограничению подвижности бактерий и стимулируют запуск кворум-сенсинга. Эксперименты проведены не только на полистироле, но и на других биосовместимых полимерах, таких как полиуретан и циклический олефин, доказав устойчивость эффекта независимо от химического состава поверхности. Это подчеркивает универсальность дизайна микротопографий и их потенциал для внедрения на существующие медицинские материалы без необходимости серьезных химических модификаций.
Экспериментальные данные также показали, что условия роста бактерий (наличие потока жидкости, ориентация поверхности, присутствие белков крови) влияют минимально на эффективность антиадгезивных микротопографий. Более того, in vivo тестирование в модели субкожной имплантации в мышах подтвердило доказанную ранее устойчивость к колонизации патогенных бактерий. Микротопографические поверхности сохраняли свои свойства против прикрепления бактерий в условиях живого организма, что является важным шагом на пути к клиническому применению. Механистические исследования с использованием микроскопии высокого разрешения и отслеживания движения отдельных бактерий показали, что мотильные клетки Pseudomonas aeruginosa на антиадгезивных топографиях проявляют ограниченную подвижность, они удерживаются в узких каналах и, по всей вероятности, испытывают локальное накопление кворум-сенсорных сигналов. Напротив, на проадгезивных и плоских поверхностях движение более свободное, способствует прикреплению и колонизации.
Ключевые сенсорные пути, такие как хемосенсорная Wsp-система и сигнальные циклические ди-нуклеотиды (c-di-GMP), несмотря на важную роль в биопленкообразовании, не оказывают решающего влияния на способность бактерий преодолевать антиадгезивные микротопографии. Это дополнительно подтверждает, что речь идет о специфической кворум-сенсорной реакции, опосредованной выделением рhamnolipidов, а не просто о механическом или химическом изменении поверхности. Анализ поведения других бактерий, не обладающих рhamnolipid-синтезом, таких как Staphylococcus aureus и Acinetobacter baumannii, показал, что они также значительно уменьшают закрепление на антиадгезивных микротопографиях. Хотя молекулярные механизмы у этих видов отличаются, можно предположить наличие иных QS-систем, регулирующих поведение на микроуровне и взаимодействие с топографией. Перспективы использования микротопографических ландшафтов заключаются в предотвращении бактериальной колонизации медицинских устройств, что позволит снизить инфекционные осложнения, продлить срок службы имплантатов и уменьшить применение антибиотиков.
