Умный гидрогель выделяет антибиотик только в присутствии патогена

Лечение инфицированных ран становится все сложнее из-за растущей антибиотикорезистентности. Около 50% бактерий, вызывающих раневые инфекции, устойчивы к мощным антимикробным препаратам. Наиболее распространены среди них бактерии, продуцирующие β-лактамазы — ферменты, которые расщепляют β-лактамные антибиотики, такие как цефалоспорины и пенициллины. Поскольку устойчивость к антибиотикам связана с их чрезмерным использованием, одно из возможных решений проблемы состоит в том, чтобы свести к минимуму системное воздействие препаратов и заменить его локальным. Способ сделать это предложили авторы статьи в Science Advances — они разработали умный гидрогель, который выделяет антибиотик только в присутствии патогенных бактерий. 

Ученые изготовили липосомы, загруженные антибиотиком ципрофлоксацином, и заключили их в гидрогель. Чтобы сам гидрогель реагировал на патогенные бактерии, авторы получили сшивающий агент, расщепляемый β-лактамазой. Они использовали для этого производное цефалоспорина. В присутствии этого бактериального фермента сшивки в геле разрушались, и он высвобождал липосомы с антибиотиком. 

Авторы подтвердили, что созданный ими гидрогель реагирует на β-лактамазы in vitro, инкубируя его в растворе цефалоспориназ синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa). Через шесть часов гидрогель практически полностью растворялся, в отличие от контрольного гидрогеля, изготовленного с нерасщепляемыми сшивками.

Перед тем, как тестировать «умный» гидрогель in vivo, ученые подтвердили его безопасность на клетках — они оценили, как гидрогель и продукты его распада влияют на метаболизм фибробластов мыши и не приводят ли они к лизису эритроцитов человека.

Терапевтическую эффективность гидрогеля оценивали на мышиной модели инфицированной ссадины. На спину анестезированных мышей многократно наклеивали и срывали пластырь, что привело к видимому покраснению и истоньшению кожи. На свежую рану наносили биолюминесцентный штамм P. aeruginosa, а через два часа покрывали ее гидрогелем. Прогрессирование инфекции отслеживали неинвазивно — по биолюминесценции, — а через четыре дня проводили гистологический и микробиологический анализ поврежденного участка. 

Биолюминесцентный сигнал в контрольной группе (с пустым или нечувствительным к β-лактамазам гидрогелем) усиливался в течение всех четырех дней. Напротив, гидрогели, деградировавшие под действием бактериального фермента, постепенно высвобождали липосомы с антибиотиком. Люминесцентный сигнал в этом случае снижался. 

Затем ученые сравнили антибактериальный эффект своей разработки с применяемым в клинической практике гидрогелем Сильвасорб, содержащим ионы серебра. У мышей, на инфицированную рану которым наносили Сильвасорб, уже через сутки возобновлялось размножение бактерий, о чем свидетельствовал биолюминесцентный сигнал. Напротив, в группе с чувствительным к β-лактамазам гидрогелем интенсивность сигнала снижалась до фонового уровня ко второму дню; рецидива инфекции не происходило на протяжении всех четырех дней эксперимента. 

Исследователи дополнительно подтвердили антибактериальный эффект гидрогеля в ex vivo модели инфицированного ожога. Опыты проводили на коже свиней, при этом в качестве возбудителя инфекции использовали не только P. aeruginosa, но и штамм золотистого стафилококка, не продуцирующий β-лактамазы. Таким образом авторы подтвердили селективность гидрогеля в отношении бактерий, способных ферментативно его разлагать. Также они убедились, что гидрогель не способствует развитию резистентности бактерий к ципрофлоксацину. 

Таким образом, умный гидрогель, который высвобождает антибиотики только при появлении в ране устойчивых к β-лактамам бактерий, быстро устраняет инфекцию. Авторы предполагают, что их разработка позволит сократить нецелесообразное использование антибиотиков и тем самым поможет бороться с проблемой антибиотикорезистентности.

Малая молекула в составе гидрогеля подавляет образование послеоперационных спаек у свиней