Как действует серебро — механизм и исследования

Бактерии, грибки и вирусы отличаются строением, размерами, жизненным циклом и способом взаимодействия с окружающей средой.

Поэтому универсального принципа «серебро одинаково действует на все микроорганизмы» не существует.
Тем не менее различные формы серебра — металлическое серебро, ионы серебра и серебряные наночастицы — давно являются объектом исследований благодаря их способности взаимодействовать с микроорганизмами.

Современные научные обзоры описывают антимикробную активность серебряных наночастиц в отношении широкого спектра бактерий, грибов и некоторых вирусных систем. При этом механизм действия зависит от физико-химических характеристик материала и условий эксперимента.

Бактерии — одни из наиболее изученных объектов в исследованиях серебра. Это одноклеточные микроорганизмы, имеющие клеточную оболочку и мембрану, внутри которых находятся необходимые для жизнедеятельности структуры.

Исследования показывают, что серебро и серебряные наночастицы могут воздействовать на бактерии сразу несколькими путями.

Среди наиболее изученных механизмов:

• взаимодействие с клеточной поверхностью;
• повреждение клеточной мембраны;
• высвобождение ионов Ag⁺;
• взаимодействие с белками и ферментами;
• нарушение энергетического обмена;
• образование активных форм кислорода;
• повреждение внутриклеточных структур;
• воздействие на нуклеиновые кислоты.

При этом точный вклад каждого механизма зависит от конкретной системы.

Условно процесс можно представить следующим образом.

1. Контакт
Частицы или ионы серебра взаимодействуют с поверхностью бактериальной клетки.

2. Воздействие на оболочку
Может изменяться структура клеточной стенки и мембраны.

3. Проникновение ионов и взаимодействие с клеточными компонентами
Ионы серебра могут взаимодействовать с различными молекулами внутри клетки.

4. Нарушение работы белков и ферментов
Особенно интересным объектом являются белки с функциональными группами, способными связывать Ag⁺.

5. Нарушение обмена веществ
Изменение работы ферментных систем способно нарушать нормальный метаболизм клетки.

6. Окислительный стресс
В определённых условиях может увеличиваться образование активных форм кислорода.

7. Повреждение клеточных структур

При достаточной степени воздействия совокупность этих процессов может привести к подавлению роста или гибели микроорганизма. Именно многофакторность считается одной из характерных особенностей антимикробного действия серебряных наноматериалов.

Бактерии не одинаковы. Одна из фундаментальных классификаций разделяет их на:
грамположительные и грамотрицательные бактерии.

Они отличаются строением клеточной оболочки. Это имеет значение и при взаимодействии с серебром.
Исследования серебряных наночастиц проводились на представителях обеих групп, однако чувствительность конкретных микроорганизмов может различаться.

На результат влияют не только вид бактерии, но и:

• размер частиц;
• форма частиц;
• поверхностные свойства;
• концентрация;
• время контакта;
• состав среды;
• наличие органических веществ;
• состояние бактериальной культуры.

Поэтому некорректно говорить, что определённая концентрация серебра гарантированно одинаково действует на любые бактерии

Особое внимание исследователей привлекает возможность применения серебросодержащих материалов против микроорганизмов, устойчивых к некоторым антибиотикам.

В лабораторных исследованиях серебряные наночастицы демонстрировали активность против различных лекарственно-устойчивых бактериальных штаммов, включая некоторые штаммы MRSA (расшифровывается как methicillin-resistant Staphylococcus aureus. По-русски — метициллин-резистентный золотистый стафилококк.. Простыми словами - это золотистый стафилококк, который стал устойчив к метициллину и часто к другим похожим антибиотикам

Однако здесь также требуется осторожность. Это не означает, что серебро является заменой антибиотикам.

Антибиотики и серебро — разные классы воздействующих веществ.

Долгое время серебро воспринималось как материал, к которому микроорганизмы практически не способны адаптироваться. Современная микробиология показывает, что ситуация сложнее. Исследования выявляют у некоторых, крайне редких, микроорганизмов механизм устойчивости к некоторым видам серебра.

Она может быть связана с:

• ограничением поступления серебра в клетку;
• активным выведением ионов;
• связыванием серебра внутри клетки;
• изменением клеточной оболочки;
• генетическими механизмами защиты.

Современные обзоры прямо рассматривают проблему микробной устойчивости к серебру как отдельное направление исследований.

Обычная бактериальная клетка и бактериальная биоплёнка — не одно и то же. В природе микроорганизмы часто существуют не в виде отдельных свободно плавающих клеток, а в составе организованных сообществ.
Такие сообщества способны формировать биоплёнку. Бактерии закрепляются на поверхности и окружают себя сложным внеклеточным матриксом.

Это позволяет им:

• удерживаться на поверхности;
• взаимодействовать друг с другом;
• обмениваться веществами;
• создавать защитную среду;
• становиться менее доступными для некоторых воздействий.

Биоплёнки имеют большое значение для медицины, пищевой промышленности, водных систем и различных технических поверхностей. Современные исследования серебряных наночастиц отдельно рассматривают их потенциальную антибиоплёночную активность.

Представим поверхность, на которой находится одна бактериальная клетка. Воздействие происходит непосредственно на неё. Теперь представим тысячи клеток, объединённых в сообщество и окружённых внеклеточным матриксом.

Получается совершенно другая система. Вещество должно: достичь поверхности биоплёнки → проникнуть в её структуру → достигнуть клеток → взаимодействовать с ними.

Поэтому результаты экспериментов с отдельными бактериальными клетками не всегда можно переносить на биоплёнки.

Грибки — совершенно другая группа организмов. В отличие от бактерий, грибковые клетки являются эукариотическими. Они имеют более сложное клеточное строение. Именно поэтому механизм воздействия серебра на грибки нельзя просто скопировать из модели воздействия на бактерии.

Тем не менее серебряные наночастицы также активно исследуются в отношении различных грибковых микроорганизмов, включая дрожжевые формы. В научной литературе рассматриваются такие возможные механизмы, как:

• повреждение клеточной стенки;
• изменение мембранных процессов;
• высвобождение Ag⁺;
• нарушение работы ферментов;
• нарушение энергетического обмена;
• образование активных форм кислорода;
• воздействие на нуклеиновые кислоты.

При этом эффективность зависит от конкретного вида грибка и характеристик серебряной системы.

Дрожжи также являются грибами. Некоторые виды дрожжей широко используются человеком, другие могут быть условно-патогенными или патогенными. Поэтому слово «грибки» само по себе ничего не говорит о конкретном результате взаимодействия с серебром. В научных исследованиях изучаются различные виды грибов и дрожжей, однако результаты одного эксперимента нельзя автоматически распространять на все виды.

С вирусами ситуация ещё интереснее. Вирус — это не клетка. Он не имеет полноценной клеточной структуры и не осуществляет самостоятельный обмен веществ так, как это делают бактерии или грибки.

Поэтому механизмы воздействия серебра на вирусы принципиально отличаются от взаимодействия с бактериями. Исследования серебряных наночастиц рассматривают возможность взаимодействия с вирусными частицами, их оболочкой или отдельными структурными компонентами. Однако результаты зависят от конкретного вируса, типа серебряного материала и условий исследования.

Термин in vitro буквально означает проведение исследования «в стекле» — то есть вне живого организма.

Например, исследователь может:

1. подготовить определённую культуру микроорганизмов;
2. добавить исследуемый материал;
3. выдержать систему определённое время;
4. измерить количество жизнеспособных микроорганизмов.

Такой эксперимент позволяет ответить на конкретный вопрос: может ли данный материал воздействовать на данный микроорганизм в данных условиях?
Но он не отвечает автоматически на другой вопрос: что произойдёт, если человек примет этот материал внутрь?

Для ответа на второй вопрос необходимы уже другие исследования.

Потому что под названием «серебро» могут скрываться совершенно разные системы.
Например:

Металлическое серебро
Ag⁰ в виде массивного металла.

Ионы серебра
Ag⁺ в растворе или соединениях.

Серебряные наночастицы
Дисперсные частицы металлического серебра нанометрового размера.

Соединения серебра
Химические соединения, содержащие серебро.

Серебросодержащие покрытия
Материалы, в которых серебро является функциональным компонентом.

Это принципиально разные объекты.

Для наночастиц серебра размер является одним из важнейших параметров.

Изменение размера может влиять на:

• площадь поверхности;
• скорость взаимодействия с окружающей средой;
• высвобождение Ag⁺;
• взаимодействие с клеточной мембраной;
• способность проникать в определённые структуры.

Исследования показывают, что размер, форма, поверхностный заряд, покрытие и другие физико-химические характеристики способны существенно изменять антимикробную активность серебряных наночастиц.

Серебро не существует в вакууме. При контакте с водой, солями, белками и органическими веществами его поведение может изменяться. Например, ионы серебра могут связываться с различными компонентами среды.

Поэтому результаты эксперимента в чистой лабораторной системе могут отличаться от результатов в сложной биологической жидкости.

Именно поэтому при оценке серебросодержащих систем необходимо учитывать не только концентрацию серебра, но и окружающую среду.

Концентрация 20 ppm означает определённое содержание серебра в продукте.

Но этот показатель не описывает:

• размер частиц;
• распределение частиц;
• долю ионов;
• степень агрегации;
• свойства поверхности;
• стабильность системы;
• качество дисперсионной среды.

Поэтому два продукта, от разных производителей, с одинаковой заявленной концентрацией серебра, не обязательно являются идентичными физико-химическими системами.

На сегодняшний день можно достаточно уверенно сказать следующее.

Известно
Различные формы серебра обладают антимикробной активностью.

Исследуется
Механизмы взаимодействия серебряных наночастиц и ионов серебра с бактериями, грибами и вирусными системами.

Зависит от условий
Сила воздействия определяется характеристиками серебра, микроорганизма и окружающей среды.

Не следует автоматически утверждать
Что любой продукт с серебром лечит инфекционные заболевания.

Серебро и серебросодержащие материалы нашли применение в различных технологиях.

Например:

• медицинских изделиях;
• перевязочных материалах;
• покрытиях;
• некоторых текстильных материалах;
• поверхностях;
• исследовательских и технологических системах.

Современные научные обзоры рассматривают серебряные наноматериалы как перспективную основу для различных антимикробных технологий. Но конкретное назначение каждого продукта определяется его составом, регистрацией, документацией и инструкцией производителя.

Это один из важных вопросов. Если вещество способно воздействовать на микроорганизмы, закономерно возникает вопрос: на какие именно микроорганизмы оно действует?

Микробиом человека представляет собой сложную экосистему. Поэтому нельзя автоматически считать, что воздействие на патогенные микроорганизмы будет полностью избирательным. Именно поэтому вопросы дозировки, пути введения, продолжительности контакта и безопасности требуют отдельного рассмотрения.

Потому что серебро сочетает сразу несколько интересных свойств.

Оно:

• обладает высокой химической активностью в определённых формах;
• может взаимодействовать с микроорганизмами;
• может существовать в виде наночастиц;
• способно высвобождать Ag⁺;
• имеет большую удельную поверхность в нанодисперсном состоянии;
• демонстрирует многофакторные механизмы антимикробного действия.

Одновременно остаются вопросы:

• безопасности;
• токсичности;
• устойчивости микроорганизмов;
• поведения в организме;
• влияния на окружающую среду;
• стабильности наноматериалов.

Именно сочетание возможностей и вопросов делает серебро одним из интересных объектов современной нанобиотехнологии.

Если свести всю страницу к нескольким тезисам:

Бактерии.
Серебро может воздействовать на клеточную оболочку, мембрану, белки, ферменты и внутриклеточные процессы.

Грибки.
Исследования показывают антимикробную активность различных серебряных наноматериалов и в отношении грибковых микроорганизмов.

Вирусы.
Серебряные наночастицы исследуются в различных вирусных моделях, однако лабораторные результаты нельзя автоматически переводить в медицинские рекомендации. Всё зависит от конкретной ситуации

Биоплёнки.
Серебро исследуется как потенциальный компонент антибиоплёночных технологий.

Устойчивость.
Механизмы устойчивости микроорганизмов к серебру существуют и продолжают изучаться.

Форма серебра имеет значение.
Ag⁺, металлическое серебро, наночастицы и соединения серебра — не одно и то же.

Концентрация — не единственный параметр.
Размер, поверхность, среда и стабильность системы также имеют значение.

История серебра показывает, что его антимикробные свойства давно привлекали внимание медицины. Но современная медицина предъявляет к любому средству гораздо более высокие требования, чем просто наличие лабораторной активности.