А помните, был такой "коронавирус"?
Развернуть4
–
Международному коллективу ученых удалось создать материал на основе кремния, покрытый наноразмерными острыми шипами. Такая нанотекстурированная поверхность способна убивать осевшие на нее вирусы парагриппа, механически прокалывая их оболочки.
За 6 часов инкубации материал снижает количество жизнеспособных вирусов на 96%, что делает его перспективным для применения в больницах, лабораториях и других учреждениях, где существует повышенная опасность передачи инфекционных заболеваний.
После событий последних лет в очередной раз мы вспомнили, что опаснее всего дверные ручки, ленты транспортеров в супермаркетах, перила эскалаторов и прочие поверхности, за которые ежедневно хватаются сотни людей, превращая их в гигантский хаб-вирусообмениик. В одночасье вопрос создания поверхностей, способных убивать вирусы сами по себе, без расхода антисептиков и необходимости их постоянного применения, оказался снова актуальным.
Идею, как часто бывает, подала сама природа — а конкретно, насекомые. Бактерии и грибы представляют для них, как и для человека, угрозу — и, не имея адаптивного иммунитета, они вынуждены эволюционно находить другие решения. Ситуация усугубляется тем, что хитиновый экзоскелет, включая крылья, не промывается гемолимфой, поэтому иммунные белки бесполезны против бактерии, решившей прилипнуть к крылу, размножиться и им полакомиться. Похоже, что один из ответов насекомых на эту угрозу — нанотекстурированные поверхности.
Например, известно, что крылья стрекоз и цикад покрыты очень мелкими шипами высотой несколько сотен нанометров (рис. 2; C. Bandara et al., 2017. Bactericidal Effects of Natural Nanotopography of Dragonfly Wing on Escherichia coli, E. Ivanova et al., 2012. Natural Bactericidal Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings).
Эти шипы эффективно уничтожают бактерии, имевшие неосторожность прилипнуть к такой поверхности, — просто механически прокалывая их мембрану.
Фактически получается естественный пассивный иммунитет к бактериальной инфекции за счет текстуры крыльев.
Вдохновленные такой сверхспособностью насекомых, ученые начали создавать искусственные материалы с бактерицидными свойствами (J. Jenkins et al., 2020. Antibacterial effects of nanopillar surfaces are mediated by cell impedance, penetration and induction of oxidative stress).
А в начале 2024 года группа исследователей под руководством профессора Елены Ивановой (Elena P. Ivanova) из Мельбурнского королевского технологического института (Австралия) разработала и протестировала аналогичный нанотекстурированный материал для защиты от вирусов. Именно эта группа более 10 лет назад описала наношипы на крыльях цикад, а в прошлом году они же изобрели нанотекстуру, убивающую грибы рода Candida (P. Le et al., 2023. Apoptosis of Multi-Drug Resistant Candida Species on Microstructured Titanium Surfaces). Результаты их нового исследования опубликованы в журнале ACS Nano.
Для создания такого материала исследователи использовали технологию реактивного ионного травления.
Кремниевая поверхность бомбардировалась химически активной плазмой, содержащей фторид-ионы и кислород. Шипы возникали из-за причудливой химической конкуренции между двумя процессами: образованием защитного слоя из фторидов кремния с одной стороны и удалением материала с поверхности активными формами кислорода с другой. Чрезвычайно малые неоднородности в соотношении этих процессов приводили к формированию острых пиков высотой в среднем чуть менее 300 нм — более чем в 15 раз меньше диаметра человеческого эритроцита! — и шириной примерно 1–2 нм (рис. 3).
Противовирусные свойства поверхности были испытаны на вирусе парагриппа человека 3-го типа, вызывающем гриппоподобное ОРВИ. Это шарообразный вирус, покрытый суперкапсидом, диаметром 100–420 нм, что вполне соответствует размеру шипов поверхности.
Материал с шипами и контрольный материал без шипов, не подвергнутый реактивному ионному травлению, инкубировались с вирусами парагриппа на протяжении 1, 3 и 6 часов, а затем с поверхностей брались смывы и анализировались методом бляшкообразования — то есть засевом на клеточную культуру с подсчетом образовавшихся бляшек из мертвых клеток.
Спустя час инкубации на нанотекстурированной поверхности сохранилось на 74% меньше жизнеспособных вирусов, чем на контрольном материале. Спустя 3 часа разница выросла до 85%, а спустя 6 часов — на 96%. Очевидно, что поверхность с шипами оказалась убийцей вирусов.
Сканирующая электронная микроскопия (а также ее более точная модификация с фокусированным ионным лучом) выявила механизм такого вирулицидного действия.
Как оказалось, микроскопические наноколючки прокалывали вирусы, проникая внутрь суперкапсида и приводя к постепенному механическому разрушению вируса.
На протяжении 6 часов прилипшие к поверхности вирусы постепенно теряли форму и спустя 6 часов оказывались полностью разрушенными (рис. 4).
Любопытно, что ПЦР смывов с поверхности оставался положительным — РНК вируса сохранялась.
Но вирус с разорванным суперкапсидом уже не способен заразить даже культуру клеток, не говоря о человеке.
Интересно, что поверхность с шипами проявляла и бактерицидный эффект — правда, менее впечатляющий. На такой поверхности погибало 20% клеток синегнойной палочки и 30% клеток золотистого стафилококка — это не очень большой результат.
Но фото синегнойной палочки с дырками в мембране в электронном микроскопе (рис. 5) явно стоит того, чтобы его увидеть.
В заключении статьи авторы отметили, что 96-процентного снижения заразности вируса на поверхности с наношипами достаточно для того, чтобы существенно снизить вирусную нагрузку, вызванную каплями выдыхаемого зараженными людьми аэрозоля вирусов.
Эффективность такого снижения напрямую зависит от вида вируса и его инфекционной дозы — так что требуется еще много исследований с разными геометриями шипов и с разными вирусами.
Но даже сама идея наконец сделать поверхности в больницах, лабораториях и общественных уборных безопасными — просто изготавливая их из нанотекстурированного материала — чрезвычайно интересна.
Развернуть5
–
