Клетки млекопитающих, такие как нейроны и кардиомиоциты, возбудимы электрическим током. Такие устройства, как кардиостимуляторы и нейростимуляторы, используют эту особенность для безлекарственной электротерапии.
В отличие от них, возбудимость резидентных бактерий изучена меньше, несмотря на их важнейшую роль в здоровье человека. Если возбудимость человеческой микробиоты можно будет аналогичным образом использовать для безлекарственного биоэлектронного воздействия, это может стать решением проблемы резистентности к антибиотикам при оппортунистических инфекциях.
Впервые исследователи разработали пластырь для кожи, который использует неощутимые электрические токи для борьбы с патогенными микроорганизмами. Результаты исследования опубликованы 24 октября в журнале Device.
"Это открывает захватывающие возможности для лечения кожных инфекций и заживления ран, где устойчивые к антибиотикам бактерии представляют собой серьезную проблему", - рассказывает Божи Тиан из Чикагского университета, один из соавторов статьи. Авторы задались целью проверить, будет ли Staphylococcus epidermidis, распространенная кожная бактерия человека, реагировать на электрическую стимуляцию. "В этом исследовании мы обнаружили, что Staphylococcus epidermidis становятся электровозбудимыми в кислой среде здоровой кожи. Мы назвали это «селективной возбудимостью», поскольку бактерии были избирательны или придирчивы к среде, в которой они проявляли возбудимость. Используя селективную возбудимость, мы подавили факторы вирулентности бактерий с помощью легкой электрической стимуляции. Этот метод предлагает локализованные, программируемые и не требующие антибиотиков способы борьбы с условно-патогенными микроорганизмами", - рассказал Тиан.
В течение 18 часов специалисты стимулировали бактерии слабым электрическим напряжением в 1,5 вольта - значительно ниже 15-вольтового предела, считающегося незаметным и безопасным для человека, - в течение 10 секунд каждые 10 минут. В идеальной кислотной среде обработка электричеством остановила образование биопленки на 99%, но при нейтральном pH окружающей среды воздействие не дало никакого эффекта. Дальнейший анализ также показал, что после электростимуляции у S. epidermidis снизилась экспрессия нескольких генов, в том числе связанных с резистентностью к антибиотикам и формированием биопленок.
Для того чтобы лечить раны на коже, воздействуя на S. epidermidis, авторы разработали кожный пластырь, получивший название Bioelectronic Localized Antimicrobial Stimulation Therapy, или BLAST. Пластырь содержит электроды и гидрогель для создания кислой среды. Они протестировали устройство на свиной коже, инокулированной S. epidermidis. После 18-часового цикла обработки наблюдалось значительное снижение покрытия биопленкой и почти 10-кратное уменьшение количества клеток S. epidermidis по сравнению с необработанным образцом. Кроме того, исследователи протестировали устройство на поверхности катетера и увидели тот же антимикробный эффект.
Авторы исследования обнаружили, что слабый электрический стимул может возбудить S. epidermidis, вызывая обратимые изменения мембранного потенциала. Эксперименты показали, что врожденная возбудимость бактерий-резидентов может быть избирательно активирована для безлекарственного биоэлектронного контроля. По словам Тиана, в ходе дальнейших исследований, направленных на изучение безопасности и эффективности этого метода лечения, ученые могут разработать носимый пластырь с беспроводной схемой, позволяющий бороться с инфекциями без использования лекарственных препаратов.
