Действие наночастиц серебра на бактерии

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………………...3

 

1. Коллоидное серебро. Синтез………………………………………………...5

2. Действие наночастиц серебра на бактерии…………………………………8

3. Лечение различных заболеваний с помощью серебросодержащих

препаратов и наночастиц серебра…………………………………………...10

3.1. Лечение гнойных ран, ожогов и остеомиелита………………………..10

          3.2. Лечение рака……………………………………………………………..12

          3.3. Лечение ВИЧ…………………………………………………………….13

  4. Влияние наночастиц серебра на человека и окружающую среду……….....13

Заключение……………………………………………………………………………..16

Список литературы…………………………………………………………………….17

Введение

     
   Антибактериальные свойства серебра известны с глубокой древности. В Древней Индии с его помощью обеззараживали воду, а персидский царь Кир хранил воду в серебряных сосудах. Американские первооткрыватели, путешествуя, клали серебряный доллар в молоко, чтобы задержать скисание. Во время Великой Отечественной войны серебро получило широкое распространение при лечении ран.

Документально известно, что впервые в медицинской практике немецкий врач Карл Карминхель в 1818 году при гонорее применил раствор нитрата серебра, а затем в 1853 году русский врач А.Матвеев и немецкий акушер-гинеколог Карл Креде применили раствор соли серебра с целью профилактики бенореи у новорожденных [2].

Швейцарский ботаник Карл Наджели обнаружил, что раствор, содержащий всего 0,01 мг\л, является хорошим альгицидом, и ввел понятие «олигодинамическое действие» (эффективность в малых концентрациях). В 1970 году были выполнены работы, подтверждающие открытие ученого, что олигодинамическое серебро является высокоэффективным биоцидом¹ в концентрации 50 мкг\л менее чем за 4 часа и в концентрации 250 мкг\л менее чем за 2 часа. Дополнительно было показано, что увеличение концентраций серебра до уровня 10 мг\л приводит к уменьшению времени проявлений биоцидной активности до минут [1].

 Практическое медицинское использование серебра в России берет свое начало с 1907 года, когда Г.И.Сериков впервые поставил опыты по обеззараживанию воды путем погружения в нее пластинок из чистого металлического серебра. В СССР активно продолжали данные исследования и антимикробные свойства серебра использовали в первую очередь для консервирования питьевой воды. С этой целью были созданы ионизаторы – аппараты, обеспечивающие анодное растворение серебра в воде и его дозирование.

После появления антибиотиков и широкого использования их с целью профилактики и лечения инфекции, применение чистого элементарного серебра отходит на второй план. С 1940 года серебро преимущественно стали использовать в виде солей и комплексных соединений. Серебро образует достаточно устойчивые комплексы с высокомолекулярными соединениями - поливинилпирролидоном, пропиленгликолем, изопропилмиристатом, стеариловым спиртом, а также с сульфаниламидами.

В 1961 году Шмидт предложил метод получения серебряной пудры (на лабилине) ддля лечения поверхностных ран и других поражений кожи. В 1968 году Фокс ввел в медицинскую практику 1%-ный крем сульфадиазина серебра, который по сей день остается одним из ведущих наружных препаратов для лечения ожоговых ран [1].

          

 

                             

       

 1. Коллоидное серебро. Синтез.

 

Коллоидное серебро (наносеребро) – продукт, состоящий из микроскопических наночастиц серебра, взвешенных в деминирализованной и деионизированной воде.

 

         

 

 

             Рис. 1.  Электронная микрофотография коллоидных наночастиц серебра [12].

 

 

Существуют несколько способов синтеза наночастиц серебра. В работе [7] описывается фотохимический синтез в водных растворах поликарбоновых кислот. Авторы использовали нитрат серебра, тетрагидроборат натрия, гидроксид натрия, полиакриловые кислоты с молекулярными массами 4,5 ∙ 10⁵ (ПАК₄₅₀₀₀₀) и 1,25∙ 10⁶ (ПАК₁₂₅₀₀₀), полиметакриловую кислоту (ПМАК) с молекулярной массой 3,3 ∙ 10⁵. Фотохимическое восстановление катионов серебра Ag⁺  проводили в кварцевой спектрофотометрической кювете на воздухе при 20^○С. В ходе синтеза, также было изучено влияние степени ионизации и декарбоксилирования полиметакриловой и полиакриловой кислот различной молекулярной массы на размер и форму наночастиц. Результаты наглядно видны на рис.2 и рис.3.

 

             

 

      

 

 

 

                          а                                                    б

 

 Рис.2 Микрофотографии частиц серебра, полученных в результате 15-минутного                         фотооблучения комплекса Ag⁺ ∙ ПАК₄₅₀₀₀₀ (а) и Ag⁺ ∙ ПАК_1250000(б) [7].

 

 

 

 

                            а                                                      б

 

 

Рис.3 Микрофотографии частиц серебра, полученных через 0,5 (а) и 20 (б) мин фотооблучения комплекса Аg⁺ ∙ ПМАК [7].

 

 По приведенным микрофотографиям можно сделать вывод: чем меньше молекулярная масса поликислоты, тем более мелкие частицы наносеребра можно получить в ходе синтеза.

В другой работе [6] указан биохимический синтез коллоидного серебра.

Первые исследования биосинтеза частиц серебра были основаны на возможности некоторых микроорганизмов, таких как Сенная палочка, B.Licheniformis (грамположительная бактерия) и кишечная палочка (грамотрицательная бактерия), адсорбировать металлы. Полученные в ходе адсорбции кристаллы были определенны как наночастицы только спустя 10 лет. Первый биосинтез наночастиц проводился на Pseudomonas stutzeri AG259. Дальнейшие исследования в этой области доказали, что синтез наночастиц серебра в микроорганизмах происходит под действием фермента α-НАДФН-зависимой нитрат редуктазы. Ниже на рис.4 приведена схема биохимического восстановления ионов серебра Ag⁺ до Ag⁰.

 

        

 

Рис. 4. Возможный механизм синтеза наночастиц серебра в licheniformis В., с участием фермента NADH-зависимой нитрат редуктазы, который может преобразовать Ag + до Ag0 через электронный челнок ферментативного процесса восстановления металла [6].

 

В статье [11] описана методика ионного синтеза наночастиц серебра в эпоксидной смоле, которая находится в вязкотекучем состоянии. Была проведена ионная имплантация вязкотекучего и стеклообразного полимера ионами серебра. В результате сформированы эпоксидные слои, содержащие в объеме наночастицы серебра. Установлено, что при использовании вязкотекучего состояния полимера, повышается коэффициент диффузии примеси, что стимулирует зарождение и последующий рост наночастиц при малых дозах имплантации.

 Таким образом, наночастицы серебра могут быть синтезированы различными способами, но все они основаны на восстановлении ионов серебра Ag⁺ до Ag⁰. Биосинтез более экологичен и экономически выгоднее химических.

 

Действие наночастиц серебра на бактерии.

 

Противомикробное действие ионов серебра и солей серебра давно известно и достаточно изучено, а вот механизм действия наночастиц изучен мало.

Действие серебра специфично не по инфекции, как у антибиотиков, а по химическому строению клетки. Так как клетки млекопитающих имеют химически устойчивую мембрану, серебро инертно по отношению к клеткам организма, но губительно для различных бактерий, имеющих химически активную мембрану.

 Было предложено три основных механизма, объясняющие ингибирующее действие серебра: вмешательство в перенос электронов, связывание ДНК и взаимодействие с мембраной клетки. Ионы серебра подавляют усвоение фосфатов, угнетают функции ДНК. Действие серебра на клетку микроорганизма происходит в две стадии: адсорбция и активный транспорт в клетку [1].

В работе [9] проводили тесты на трех микроорганизмах: кишечная палочка, дрожжи, золотистый стафилококк. Исследования показали, что в случае дрожжей и кишечной палочки серебро эффективно препятствует росту бактерий, в случае золотистого стафилококка наблюдался небольшой ингибирующий эффект. Минимальная ингибирующая концентрация (МИК) серебра для дрожжей составила 6,6-13,2 нМ, для E.Coli 3,3-6,6 нМ, а для золотистого стафилококка более 33 нМ.

Изучение механизма действия именно наночастиц, тормозящего рост микроорганизмов может быть затруднено из-за образования свободных радикалов на поверхности наночастиц серебра. Неконтролируемое образование свободных радикалов может привести к разрушению липидного слоя мембраны клетки. Чтобы определить связь между свободными радикалами и антимикробной активностью, в работе [9] использовали N-ацетилцистеин. Опыт показал, что ацетилцистеин влияет на антимикробную активность наночастиц серебра, схожий результат был получен и при испытании нитрата серебра с добавлением N-ацетилцистеина. Сам N-ацетилцистеин не имеет антибактериального эффекта.

Наночастицы серебра также влияют на формирование биопленок бактерий. Эта способность бактерий является существенным фактором патогенности. Биопленки образуются микробными сообществами, при этом многократно повышается устойчивость патогенных микроорганизмов к действию антибактериальных препаратов [10].

Авторы работы [10] провели исследования на образцах трех патогенных микроорганизмов E.Coli, Pseudomonas aeruginosa и Sarratia proteamaculans, которые показали следующие результаты. При концентрации наночастиц серебра от 0 до 1,25 мкг/мл планктонный рост (образование отдельных бактерий) Pseudomonas aeruginosa не был снижен, однако, при повышении концентрации величины планктонного уровня и биопленок снижались (а при 10-20 мкг/мл наблюдалось резкое падение планктонного уровня). В случае E.Coli изменения в биопленках и планктонном росте были заметны уже при концентрации наночастиц чуть больше 1 мкг/мл, а резкий спад при 5-10 мкг/мл. Для Sarratia proteamaculans спад уровня образования биопленок и планктонного роста наблюдался при 5 мкг/мл, при 10 мкг/мл было отмечен резкий спад показателей практически до нулевого уровня.

Помимо воздействия наночастиц серебра на биопленки в работе [10] изучалась возможность ингибирования Quorum Sensing регуляторных систем микроорганизмов, с помощью которых осуществляется передача информации между бактериями в популяции. Ингибирующее влияние наночастиц серебра на QS системы выявлено не было.

 

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что основой антибактериального действия серебра является адсорбция ионов Ag⁺ на мембране микроорганизмов. В отличие от большинства антибиотиков,  наночастицы серебра специфичны к патогенным микроорганизмам, не уничтожают микрофлору кишечника и способны разрушать биопленки, образуемые колониями бактерий, что является несомненными плюсами  для использования серебра в медицине.