Nové povrchy v boji proti mikrobům byly vyvinuty v evropské spolupráci, která pokračuje Modifikace materiálu pro 3D tisk stříbrnými nanočásticemi

Stáhnout PDF

Autoři: K. Sehnal; R. Kizek
Působiště autorů: Veterinární a farmaceutická univerzita Brno, Farmaceutická fakulta, Ústav humánní farmakologie a toxikologie, Přednosta: doc. MVDr. Pavel Suchý, Ph. D. ¹; Mendelova univerzita Brno, Ústav vinohradnictví a vinařství, Lednice, Vedoucí: doc. Ing. Mojmír Baroň, Ph. D. ²
Vyšlo v časopise: Prakt. Lék. 2021; 101(1): 56-59
Kategorie: Historie/aktuality

ÚVOD

V důsledku pandemie koronaviru čelí odvětví zdravotnictví zcela nové výzvě. Satakunta Universtiy of Applied Scinces (SAMK) z Finska vede celoevropskou síť, která vyvíjí povrchy pro prevenci především bakteriálních infekcí. Navíc síť AMiCI (COST AMiCI project: www.amici-consortium.eu) a ePlatform (od května 2020 ) urychluje vstup nových antimikrobiálních povrchů na trh (1).

HYGIENA ZDRAVOTNÍ PÉČE V ŽIVOTNĚ DŮLEŽITÉ ROLI

Každoročně u milionů lidí proběhne infekce spojená se zdravotní péčí. Takové infekce jsou vážným problémem všech zdravotnických systémů (2, 3). V nejhorším případě tyto infekce vedou ke smrti pacientů. Z tohoto důvodu se klade výjimečná pozornost právě na řešení problému týkajícího se zmíněných infekcí (4, 5). Je známé, že mikroorganismy se šíří v prostředí většinou dotykem, buď přímo z člověka na člověka, nebo z člověka na člověka povrchy (obr. 1). Z dlouhodobých zkušeností víme, že nejúčinnějším opatřením při prevenci a kontrole infekcí je hygiena rukou spojená s účinnými postupy čištění prostředí.

Zjednodušené schéma šíření infekce (bakterie, viry, plísně). Zdrojem infekce může být pacient nebo jedinec bez příznaků.
Patogen je do okolí šířen kapénkami, tělními tekutinami, fekáliemi. Dochází ke kontaminaci běžných povrchů a zdravotnického
vybavení, oděvu, rukou zdravotníků a návštěvníků. Infekční agens je uchováno na klikách, toaletách, nábytku,
lůžku, klávesnicích, podlahách apod. Nanesením antimikrobiálního materiálu na povrchy očekáváme výrazné snížení přenosu
nákazy ve zdravotnických zařízeních. — Obr. 1. Zjednodušené schéma šíření infekce (bakterie, viry, plísně). Zdrojem infekce může být pacient nebo jedinec bez příznaků. Patogen je do okolí šířen kapénkami, tělními tekutinami, fekáliemi. Dochází ke kontaminaci běžných povrchů a zdravotnického vybavení, oděvu, rukou zdravotníků a návštěvníků. Infekční agens je uchováno na klikách, toaletách, nábytku, lůžku, klávesnicích, podlahách apod. Nanesením antimikrobiálního materiálu na povrchy očekáváme výrazné snížení přenosu nákazy ve zdravotnických zařízeních.

ANTIMIKROBIÁLNÍ POVRCHY JSOU SOUČÁSTÍ ŘEŠENÍ

Pozorovaný rychlý vzestup bakteriální rezistence vyžaduje hledání nových strategií i pro výzkum a vývoj vhodných povrchů (6, 7). Jako jedno z možných řešení se nabízí využívání nanotechnologií (8). Antimikrobiální (redukce růstu mikrobů) mědí a stříbra je známa již dlouho (9). Některé druhy nanočástic, včetně stříbrných nanočástic (AgNPs), vykazují antimikrobiální, antivirotické a antifungální účinky (10). Další možnosti inovativních technologií spočívají v různých modifikacích povrchu nanočástic dalšími antibakteriálními látkami. Zelená syntéza v procesu přípravy nanočástic používá rostlinné extrakty namísto typických redukčních činidel. Navíc zelená syntéza AgNPs využívá enzymů i rostlinných a živočišných extraktů (10). Výzkum je zaměřen na testování nových antibakteriálních látek a molekul (11, 12). Výzkumné projekty a společnosti vyvíjení nové látky a povlaky, které se používají zejména na často dotykových površích (13). Současnou výzvou však zůstává prokázat účinnost těchto nových povlaků v reálném zdravotnickém prostředí.

SÍŤ AMICI PRO NOVÁ ANTIMIKROBNÍ ŘEŠENÍ

Vědci, společnosti a odborníci ve zdravotnictví studovali a rozvíjeli antimikrobní povrchy v evropské (33 zemích) síti COST AMICI. AMICI vyvinula antimikrobní povrchy, které zabraňují šíření infekčních chorob ve zdravotnických prostředích, zejména povrchů s vysokým dotykem (kromě zdravotnických prostředků). Existuje mnoho požadavků na antimikrobiální povrchy, protože musí být snadno čistitelné, ale extrémně odolné. Projekt se zaměřuje na řešení, které řídí testování v reálném prostředí. Kromě toho vyvíjíme podnikatelský plán, který mohou organizace použít, když zamíří na trh. V ePlatform je pro nemocnice vytvořen nástroj pro rozhodování o užívání antimikrobiálních povrchů.

ANTIMIKROBIÁLNÍ POVRCHY Z 3D TISKU

3D tisk nalézá svoje uplatnění napříč různými odvětvími (14, 15). Možnosti využití 3D tisku pro biotechnologické aplikace jsou intenzivně rozvíjeny s cílem získat náhrady orgánů a tkání (14, 16, 17). Antibakteriální materiál pro 3D tisk byl vytvářen z vlákna (ABS – akrylonitrilbutadienstyren). Přečištěné AgNPs byly dispergovány v ultračisté vodě a acetonu (1 : 1). AgNPs byly pomocí štětce nanášeny na vlákno (obr. 2).

(A) pracovní postup přípravy modifikace tiskového materiálu. Přečištěné AgNPs jsou dispergovány ve vodě s acetonem, ultrazvukovány.
AgNPs jsou naneseny na tiskovou strunu a materiál vytisknut. (B) náhled procesu nanášení AgNPs na tiskovou strunu.
(C) koláčový graf využití 3D tisku v biomedicínských aplikacích, bylo prohledáno 3 M záznamů (údaje uvedeny v %). (D) schéma
tiskové hlavy běžně používané 3D tiskárny, materiál (filament) je veden přes ozubená kola do extruderu, kde dochází k jeho tavení
a tryskou je nanesen na podložku. (E) 3D tiskem nanesený materiál ABS bez modifikace a po modifikaci AgNPs. — Obr. 2. (A) pracovní postup přípravy modifikace tiskového materiálu. Přečištěné AgNPs jsou dispergovány ve vodě s acetonem, ultrazvukovány. AgNPs jsou naneseny na tiskovou strunu a materiál vytisknut. (B) náhled procesu nanášení AgNPs na tiskovou strunu. (C) koláčový graf využití 3D tisku v biomedicínských aplikacích, bylo prohledáno 3 M záznamů (údaje uvedeny v %). (D) schéma tiskové hlavy běžně používané 3D tiskárny, materiál (filament) je veden přes ozubená kola do extruderu, kde dochází k jeho tavení a tryskou je nanesen na podložku. (E) 3D tiskem nanesený materiál ABS bez modifikace a po modifikaci AgNPs.

Antibakteriální aktivita byla stanovena na modelových organismech (S. aureus, E. coli). Byly měřeny růstové křivky (ABS, ABS-AgNPs materiál: 1 mg). Diferenciál vz/k (OD) byl proveden jako rozdíl jednotlivých bodů růstové křivky bakterie a bodů inhibice AgNPs. Zjistili jsme, že AgNPsT, S, J vykazovaly inhibiční aktivitu o 20–40 % kontroly. Na základě výpočtu IC₅₀ byly MIC stanoveny na AgNPsT, AgNPsS a AgNPsJ (150 µg/ml). Zjistili jsme, že 3D tiskem připravené platformy vykazovaly vynikající antibakteriální vlastnosti (obr. 3). Více podrobností je v práci Sehnal et al. (18).

Antimikrobiální účinnost nanočástic je možné zvýšit využitím sekundárních metabolitů z rostlin. (A) Byly připraveny nanočástice
AgNPs z mateřídoušky, šalvěje a jetele (B). Vizuální vzhled přečišttěných a vysušených AgNPs (C). Vizuální vzhled ABS
materiálu po nanesení připravených AgNPs. (D) 3D tiskem připravené platformy pro hodnocení jejich antibakteriálních vlastnosti.
(E) mikrofotografie povrchu ABS materiálu s nanesenými AgNPs. (H) integrál optické denzity růstových křivek pro E. coli a (I) S.
aureus po aplikaci AgNPs materiálu. — Obr. 3. Antimikrobiální účinnost nanočástic je možné zvýšit využitím sekundárních metabolitů z rostlin. (A) Byly připraveny nanočástice AgNPs z mateřídoušky, šalvěje a jetele (B). Vizuální vzhled přečišttěných a vysušených AgNPs (C). Vizuální vzhled ABS materiálu po nanesení připravených AgNPs. (D) 3D tiskem připravené platformy pro hodnocení jejich antibakteriálních vlastnosti. (E) mikrofotografie povrchu ABS materiálu s nanesenými AgNPs. (H) integrál optické denzity růstových křivek pro E. coli a (I) S. aureus po aplikaci AgNPs materiálu.

ZÁVĚR

Pandemie koronaviru již ukázala, že kontrola infekce vyžaduje komplexní řešení. Je nezbytné upravit a posílit současné postupy. Antimikrobiální povrchy jsou jedním z možných řešení problému. Mezinárodní konsorcium (33 zemí) bude v tomto úsilí pokračovat jako projekt GIG15114 AMiCI ePlatform.

Účast na setkání a práce byla realizována za podpory projektu H2020 CA COST Action CA15114, GIG15114 AMiCI ePlatform a INTER-COST LTC18002.

adresa pro korespondenci:

prof. Ing. René Kizek, PhD., DrSc., MBA

Farmaceutická fakulta MU Brno

Palackého tř. 1946/1, 612 00 Brno

e-mail: kizek@sci.muni.cz

Zdroje

1. Keinänen-Toivola M. Touch surfaces for the battle against microbes developed in European cooperation. Press release 7.4.2020 [online]. Dostupné z: http://amici.lifescience.pl/touch-surfaces-for-the-battle-against-microbes-developed-in-european-cooperation/ [cit. 2020-11-13].

2. Jansen KU, Knirsch C, Anderson AS. The role of vaccines in preventing bacterial antimicrobial resistance. Nat Med 2018; 24(1): 10–19.

3. Tenover FC, Hughes JM. WHO scientific working group on monitoring and management of bacterial-resistance to antimicrobial agents. Emerg Inf Dis 1995; 1(1): 37–37.

4. Weidenmaier C, Kokai-Kun JF, Kristian SA, et al. Role of teichoic acids in Staphylococcus Aureus nasal colonization, a major risk factor in nosocomial infections. Nat Med 2004; 10(3): 243–245.

5. Otto M. Staphylococcus Epidermidis – the ‘accidental’ pathogen. Nat Rev Microb 2009; 7(8): 555–567.

6. Li M, Du X, Villaruz AE, et al. MRSA epidemic linked to a quickly spreading colonization and virulence determinant. Nat Med 2012; 18(5): 816–819.

7. Park C, Nichols M, Schrag SJ. Two cases of invasive vancomycin – resistant group B Streptococcus infection. N Engl J Med 2014; 370(9): 885–886.

8. Mura S, Nicolas J, Couvreur P. Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery. Nat Mater 2013; 12(11): 991–1003.

9. Richter AP, Brown JS, Bharti B, et al. An environmentally benign antimicrobial nanoparticle based on a silver-infused lignin core. Nat Nanotechnol 2015; 10(9): 817–823.

10. Kumar A, Vemula PK, Ajayan PM, et al. Silver-nanoparticle-embedded antimicrobial paints based on vegetable oil. Nat Mater 2008; 7(3): 236–241.

11. Spohn R, Daruka L, Lázár V, et al. Integrated evolutionary analysis reveals antimicrobial peptides with limited resistance. Nat. Commun 2019; 10: 4538.

12. Čížek M, Sehnal K, Dočekalová M, a kol. Nanočástice stříbra připravené zelenou syntézou a synergický účinnek s antibiotikem jako základ nanokonstruktu pro léčbu bakteriálních infekcí. Prakt. Lék. 2019; 99(4): 154–159.

13. Ruttkay-Nedecky B, Skalickova S, Kepinska M, et al. Development of new silver nanoparticles suitable for materials with antimicrobial properties. J Nanosci Nanotechnol 2019; 19(5): 2762–2769.

14. Capel AJ, Rimington RP, Lewis MP, et al. 3D printing for chemical, pharmaceutical and biological applications. Nat Rev Chem 2018; 2(12): 422–436.

15. Kitson PJ, Glatzel S, Chen W, et al. 3D printing of versatile reactionware for chemical synthesis. Nat Protoc 2016; 11(5): 920–936.

16. Vaidya M. Startups tout commercially 3D-printed tissue for drug screening. Nat Med 2015; 21(1): 2.

17. Colaco M, Igel DA, Atala A. The potential of 3D printing in urological research and patient care. Nat Rev Urol 2018; 15(4): 213–221.

18. Sehnal K, Stankova M, Dočekalová M, a kol. Biofyzikální analýza stříbrných nanočástic připravených zelenou syntézou a jejich využití pro 3D tisk antibakteriálního materiálu pro zdravotnictví. Czech Chem Soc Symp Ser 2019; 1(17): 66–71.