В современном мире борьба с бактериальными инфекциями и биообрастаниями на поверхности материалов становится всё более актуальной задачей, особенно в сфере медицины и промышленности. Биопленки, представляющие собой организованные сообщества бактерий, покрывающие поверхности и защищённые экстрацеллюлярным матриксом, чрезвычайно устойчивы к воздействию антимикробных агентов и иммунных механизмов организма. Их появление на медицинских устройствах ведёт к серьёзным осложнениям, увеличивая заболеваемость и смертность пациентов. Одной из перспективных стратегий противодействия этим проблемам является разработка биоматериалов с микро- и нанотопографией поверхности, которая препятствует адгезии и развитию биообрастаний. Недавно была проведена уникальная работа по комбинаторному исследованию микротопографических ландшафтов, способных сопротивляться образованию биопленок, особенно таких патогенов, как Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus.
В масштабном эксперименте было создано более двух тысяч микротопографий, состоящих из комбинаций треугольников, кругов и прямоугольников, нанесённых на полимерные поверхности. Целью было выявить формы и структуры, которые максимально снижают прикрепление бактерий и последующее развитие биопленок. Полученные результаты показали, что некоторые топографии способны уменьшить колонизацию микроорганизмов в 15 раз по сравнению с ровной поверхностью. Важной особенностью исследования стало применение методов машинного обучения, которые позволили выявить основные параметры и закономерности, на основе которых можно предсказывать эффективность той или иной микротопографии в предотвращении адгезии бактерий. Среди ключевых факторов фигурировали площадь покрытия поверхности топографическими элементами, размеры и форма промежутков между ними, максимальные размеры самих элементов.
Удивительно, что схожие принципы выявлены как для подвижных бактерий с жгутиками, так и для неподвижных кокков. Это указывает на универсальность разработанных дизайн-правил и их потенциал для широкого спектра микробных патогенов. Более того, данные топографии сохраняли свои антимикробные свойства при использовании разного полимерного материала, что свидетельствует о том, что именно форма и структура поверхности, а не химический состав, играют ключевую роль в предотвращении прикрепления бактерий. Изучение динамики поведения отдельных клеток бактерий на микротопографичных поверхностях предоставило дополнительные инсайты. На антимикробных топографиях Pseudomonas aeruginosa демонстрировали ограниченную подвижность, передвигались преимущественно линейно внутри узких каналов с ограничением площади, что затрудняло их прочно прикрепление.
В отличие от этого, на про-адгезионных поверхностях или ровных образцах клетки свободно перемещались, что способствовало их оседанию и формированию устойчивых колоний. Генетический анализ выявил, что ингибирование определённых систем кворум-сенсинга, отвечающих за передачу сигнала клетки в ответ на плотность популяции и регуляцию производства биосурфактантов—кахрмно-липидов, подавляло антимикробный эффект топографии. Ряд экспериментов показало, что производство кворум-сенсингом контролируемых биосурфактантов создаёт условную автолубрикацию поверхности, делая её неудобной и скользкой для устойчивой адгезии бактерий. Подобный эффект был подтверждён в моделях на животных, где имплантированные микротопографичные поверхности препятствовали колонизации патогенными бактериями, демонстрируя высокую репальтированность к образованию биопленок. Уникальным достоинством данного исследования является комплексный, системный подход с использованием математики, биологии и материаловедения.
Комбинаторный дизайн больших библиотек топографий, их скрининг с последующим машинным обучением позволил выявить неочевидные закономерности, недостижимые классическими методами. Это открывает путь к рациональному проектированию медицинских имплантов и других материалов, способных эффективно предотвращать опасные инфекции и снизить необходимость применения антибиотиков. Разработка биоматериалов с заданной микротопографией обладает рядом преимуществ. Во-первых, это отсутствие необходимости использование антимикробных добавок, сокращающих риск развития резистентности у бактерий. Во-вторых, микро- и наноразмерные структуры не влияют на механические и физические свойства основного материала, что облегчает сертификацию.
В-третьих, возможность применения существующих полимеров с новыми структурными решениями способствует сокращению сроков и затрат на внедрение технологий в практику. Кроме того, влияние микротопографии на иммунные клетки, выявленное в ряде исследований, открывает дополнительный потенциал для регулирования местного иммунного ответа и уменьшения отторжения имплантатов. Усовершенствованные поверхности могут стимулировать полезные клеточные реакции, повышающие интеграцию имплантатов и одновременно препятствующие бактериальному заселению. Перспективы в области науки о материалах заключаются в расширении библиотек микротопографий с использованием более сложных форм и многоуровневых структур, а также в интеграции данных о химическом составе и поверхностной энергии. Совместно с системами машинного обучения это позволит создать «умные» поверхности с адаптивными свойствами, приспособленными под разные микробные угрозы и биологические условия.
В заключение стоит подчеркнуть, что борьба с биопленками средствами физического дизайна материалов без привлечения активных химических агентов является многообещающим направлением в биомедицинской инженерии. Комбинаторные подходы к проектированию микротопографий обеспечивают системное понимание взаимодействий между бактериями и поверхностями, что крайне необходимо для эффективного создания новых стратегий против инфекции. Сегодняшние достижения позволяют рассчитывать, что уже в ближайшие годы такие технологии будут широко использоваться в изготовлении медицинских устройств, катетеров, протезов и других изделий, существенно снижая случаи госпитальных инфекций и улучшая качество жизни пациентов.