Решение, предложенное учеными НИТУ МИСИС, открывает новые перспективы для создания более безопасных и биосовместимых костных имплантатов. Установлено, что белок лизостафин передает антибактериальные свойства биокерамике при нанесении, он эффективно подавляет рост штаммов стафилококка и разрушает бактериальные биопленки. Такую керамику можно использовать в качестве основного компонента имплантируемых материалов. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Pathogens.
При хирургическом лечении остеомиелита или костной пластике в случае открытого перелома наиболее частой причиной инфекции является золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus). Из-за повсеместного распространения невосприимчивых к антибиотикам штаммов S. аureus, лечение стандартными противомикробными препаратами становится все более трудным. На эффективность применения антибиотиков также негативно влияет способность микроорганизмов образовывать более устойчивые к лекарствам биопленки на медицинских имплантатах. По данным медицинской статистики в США, заражение после имплантации развивается примерно в 5% случаев. Более того, при соблюдении стандартной процедуры антибиотикотерапии рецидив инфекции происходит в 20-30% случаев.
Одним из передовых способов снижения процента инфекционных осложнений при костной пластике может стать пропитка имплантатов ферментами, разрушающими бактериальные клеточные стенки. Биосовместимая керамика на основе диопсида из силиката, кальция и магния (CaMgSi2O6) обладает большим потенциалом в области костного протезирования, она только недавно была предложена для использования в регенеративной медицине. На базе НИТУ МИСИС проводился синтез такой биокерамики и исследование структурных характеристик. Высокая биологическая активность и биосовместимость объясняется, в частности, высокой способностью диопсида к биоминерализации.
«В первые несколько часов после имплантации поверхность диопсида покрывается слоем апатита. Кроме того, диопсид высвобождает ионы Ca2+, Mg2+ и SiO32−, которые способствуют размножению клеток и их преобразованию в зоне регенерации именно в костную ткань, – объясняет инженер научного проекта НОЦ “Биомедицинской инженерии” НИТУ МИСИС Инна Булыгина. – Эти свойства делают диопсид потенциально перспективным в качестве замены кальцийфосфатной керамики».
Рекомбинантный (белок, ДНК которого создана искусственно) лизостафин, введённый в порошок диопсида, действует на антибиотикорезистентные (MRSA) и антибиотикочувствительные (MSSA) штаммы стафилококка с одинаковой эффективностью и демонстрирует синергизм при одновременном применении с обычными антибиотиками. Исследования керамики после нанесения лизостафина проходило на базе Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи Минздрава России. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Pathogens.
«Лизостафин расщепляет пентаглициновые поперечные мостики в пептидогликане S. aureus, что приводит к гибели бактериальных клеток, – объясняет Анна Карягина, д.б.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории биологически активных наноструктур НИЦЭМ им. Н. Ф. Гамалеи, профессор НОЦ «Биомедицинской инженерии» НИТУ МИСИС. – Этот высокоэффективный белок можно нарабатывать в больших количествах микробиологическим синтезом, и использовать для насыщения самых различных материалов. Например, его можно успешно использовать для покрытия титановых имплантатов для стоматологии, челюстно-лицевой хирургии и хирургического лечения переломов длинных костей и травм позвоночника, а также включать в состав инъекционных гидрогелей, используемых при малоинвазивных процедурах для костной пластики».
Лизостафин, в отличие от традиционных антибиотиков, эффективно убивает как активно растущие, так и бездействующие (дормантные) бактериальные клетки. Однако этот фермент активен только в отношении S. aureus и, в меньшей степени, коагулазонегативных стафилококков. Большинство других антибактериальных ферментов также обладают относительно узкой направленностью. В будущих исследованиях необходимо найти возможность загрузки диопсида двумя или более антибактериальными белками с различной специфичностью. Работа по изучению антибактериальных и антибиоплёночных свойств лизостафина, введённого в состав частиц диопсида, выполнена в рамках проекта, финансируемого Российским научным фондом.