Кожные инфекции вылечат электротоком

Исследователи научились останавливать бактериальные инфекции на коже без каких-либо лекарств с помощью слабых электрических разрядов. Пластырь, в котором незаметные для пациента электрические разряды убивают микробов, разработан впервые.



— Божжи Тянь из Чикагского университета, один из соавторов статьи в журнале Device.

Вообще, учёные и ранее использовали электричество, например, для влияния на клетки млекопитающих, в том числе человека, и для лечения заболеваний без применения лекарств. Например, кардиостимуляторы могут регулировать сердцебиение, «подталкивая» сердечную мышцу. И в протезе сетчатки, разновидности бионического глаза, также используется электричество для стимуляции органа пациента с целью хотя бы частично восстановить его зрение.

Тянь с коллегами задались вопросом, можно ли управлять бактериями с помощью электричества вместо антибиотиков. Как известно, традиционный подход с применением лекарств уже привёл к глобальному кризису устойчивости к таким медикаментам. Из-за чрезмерного использования антибиотиков для терапии людей и домашних животных многие микробы выработали устойчивость к современным препаратам, сделав их менее эффективными. Согласно статистике, только в 2019 году инфекции, устойчивые к лекарствам, стали причиной 1,27 млн смертей по всему миру.

Команда исследователей решила проверить, будет ли распространённая бактерия эпидермального стафилококка (Staphylococcus epidermidis) реагировать на электрическую стимуляцию. Кожный стафилококк признан в целом безвредным, точнее — условно-патогенным микроорганизмом, который обычно обитает на коже и слизистых оболочках без неприятных последствий. Для здорового человека S. epidermidis даже полезен, так как может защищать кожу от явных патогенов. Но когда он попадает в организм через порез, в том числе хирургический, либо через вставленный в тело трубку-катетер, то может вызвать серьёзные инфекции. К тому же недавно появились три штамма S. epidermidis, устойчивых ко всем антибиотикам подряд.


— Гюрол Сюэль из Калифорнийского университета (Сан-Диего), соавтор исследования.

Учёные обнаружили, что слабые электрические импульсы воздействуют на S. epidermidis, но только в кислой среде. Исследователи называют такую особенность избирательной возбудимостью. Здоровая кожа человека как раз обычно имеет слабокислую поверхность, а в хронических ранах среда чаще всего нейтральная или щелочная.

Сэхён Ким из Чикагского университета, ещё один соавтор исследования, сказал, что реакция бактерий на электричество была изучена недостаточно хорошо. Так сложилось отчасти потому, что науке были неизвестны конкретные условия, при которых бактерии реагируют на ток. Изучение избирательной возбудимости помогло бы контролировать другие виды бактерий в различных условиях.

Команда исследователей стимулировала стафилококк слабым электрическим током с напряжением 1,5 вольта в течение 10 секунд через каждые 10 минут в течение 18 часов. Следует отметить, что предел ощутимости и безопасности для человека — 15 вольт, так что электричество в инновационном пластыре совсем незаметно. При идеальных кислотных условиях воздействие электрическим током уничтожало 99% биоплёнки, то есть скопления бактерий, которое блокирует действие лекарств и приводит к хроническим инфекциям. А при нейтральном уровне pH (кислотности) воздействие не оказало никакого эффекта.

Дальнейший анализ также показал, что после электрической стимуляции у S. epidermidis снижается способность генов вырабатывать устойчивость к антибиотикам и образовывать биоплёнку на коже.

Чтобы лечить кожные раны, стимулируя стафилококк, специалисты разработали пластырь под названием «Биоэлектронная локализованная терапия противомикробной стимуляцией», или BLAST. Пластырь содержит электроды и гидрогель с кислой средой. Изобретение успешно протестировали на свиной коже, покрытой слоем S. epidermidis.

После 18 часов воздействия пластырем биоплёнка значительное уменьшилась, так как количество микробных клеток упало почти в десять раз по сравнению с образцом кожи без пластыря. Устройство также испытали на поверхности катетера и увидели такой же противомикробный эффект.


— Тянь.