Ролята на среброто в лечението на биофилм инфекциите в областта на оториноларингологията

Увод

Инфекциите в областта на оториноларингологията (ОРЛ) често се усложняват от образуването на биофилми – устойчиви структури от микроорганизми, които са свързани с хронични и рецидивиращи заболявания (Flemming et al., 2016). Традиционните антимикробни терапии често са неефективни срещу биофилмите поради тяхната устойчивост и защитна функция. В този контекст, среброто се явява като потенциално ефективно средство за лечение на биофилм инфекции, благодарение на своите широкоспектърни антибактериални свойства и способност­та си да нарушава биофилмовата структура (Rai et al., 2009).

Какво са биофилмите и при кои инфекции на ОРЛ се срещат

Биофилмите представляват сложни, организирани колонии от микроорганизми, които се прикрепват към биологични или небиологични повърхности и са обвити в екстрацелуларен полимерен матрикс (Flemming et al., 2016). В оториноларингологията, биофилмите често са свързани с хронични и рецидивиращи заболявания (синузит, отит, фарингит, тонзилит, аденоидит). Те се срещат и при употребата на различни имплантируеми устройства – кохлеарни импланти, протези в средното ухо (за стапедопластика, тимпаностомни тръбички), носни плаки, трахеостомни канюли и други (Stewart & Costerton, 2001). Биофилмите могат да бъдат образувани от различни патогени като Staphylococcus aureus, Haemophilus influenzae, Steptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis, Pseudomonas aeruginosa, Candida albicans и др. Нерядко се откриват и смесени биофилми, с участието на различни микроорганизми (Costerton et al., 1999).
Биофилм инфекциите в областта на ОРЛ представляват значително предизвикателство за клиничната практика поради тяхната устойчивост към традиционните антимикробни агенти и имунната система на организма. Микроорганизмите в биофилма могат да комуникират и обменят генетичен материал, включително тези за антибиотична ре­зистентност, което усложнява лечението (Costerton et al., 1999). Освен това, биофилмите способстват за хронифициране на инфекциите, което води до продължителни възпалителни процеси и увреждане на тъканите. Биофилмовата структу­ра затруднява проникването на антибиотици и антибактериални агенти до микроорганизмите, увеличавайки времето и сложността на лечението (Stewart & Costerton, 2001).

Предизвикателствата, които поставят биофилм инфекциите:

• Устойчива резистентност: Биофилмовите микроорганизми са по-устойчиви към антибиотични агенти, което усложнява лечението и увеличава риска от рецидиви.
• Намалена ефективност на имунната система: Биофилмовата струк­тура предпазва бактериите от имунните механизми, като макрофагите и неутрофилите, което води до продължително възпаление и увреждане на тъканите.
• Нужда от иновативни терапевтични подходи: Традиционните антибиотици често са неефективни срещу биофилмовите инфекции, което налага необходимостта от нови и иновативни подходи за лечение.
• Среброто е един от малкото материали в лечението на инфекции, доказали се през вековете и даващи ни надежда и за в бъдеще.

Исторически данни

Използването на сребро за медицински цели датира от праисторически времена. Древните цивилизации, египтяни и римляни, са употребявали сребърни съдове за съхранение на вода и храни, за да предотвратят развалянето им (Miller, 2003). Китайските императори са използвали сребърни клечки за хранене. През 19-ти век, среброто е било използвано за лечение на рани и инфекции, преди да бъде изместено от съвременните антимикробни агенти (Wright et al., 2008). В последните десетилетия, с нарастващата резистентност на микроорганизмите към традиционните антибиотици, интересът към среброто като алтернативно антимикробно средство се възражда (Lan et al., 2017).

Видове сребро

Среброто се използва в различни форми за медицински приложения, като най-широко разпространени са сребрените йони (Ag⁺) и сребрените наночастици (AgNPs).
Всяка от тези форми притежава уникални свойства и механизми на действие, които ги правят ефективни в борбата с биофилмовите инфекции в областта на оториноларингологията (ОРЛ).

Сребрени йони (Ag⁺)

Сребрените йони представляват разтворимата форма на среброто, която освобождава Ag⁺ в средата. Тези йони имат мощни антибактериални свойства, като действат чрез няколко ключови механизма. Първо, Ag⁺ йоните взаимодействат с бактериалните клетъчни мембрани, нарушавайки тяхната цялостност и водещи до протеолитичен стрес и клетъчна смърт (Rai et al., 2009).
Второ, те могат да инхибират ферментите, участващи в метаболитните процеси на бактериите, като се свързват с различни групи в протеините (Liao et al., 2010).
Освен това, сребрените йони имат способността да взаимодействат с бактериалната ДНК, причинявайки генетични мутации и нарушаване на репликационните процеси (Rai et al., 2009). Тези многобройни механизми на действие правят сребрените йони ефективни срещу широк спектър от патогени, включително и тези, които са резистентни към традиционните антибиотици (Morones et al., 2005).

Сребрени наночастици (AgNPs)

Сребрените наночастици са материали с размери в нанометровия диапазон (1-100 nm), които притежават уникални физико-химични свойства, отличаващи ги от макроскопичните форми на среброто. Повърхностната площ на AgNPs е значително по-голяма в сравнение със сребрените йони, което увеличава тяхната реактивност и способност да взаимодействат с микроорганизмите (Morones et al., 2005).

AgNPs действат чрез няколко механизма, които допълват или дори засилват ефектите на сребрените йони.

Първо, поради своя малък размер, AgNPs могат да проникват по-лесно в бактериалните клетки и да достигнат до вътреклетъчните структури (Rai et al., 2009). Това води до директно увреждане на клетъчната мембрана, генетичния материал и протеините, което предизвиква клетъчна смърт (Wright et al., 2008).

Второ, AgNPs могат да генерират реактивни кислородни видове (ROS), които допълнително увреждат клетъчните компоненти и инхибират метаболитните процеси (Zhang et al., 2011). ROS включват супероксидни аниони, водороден пероксид и хипохлоритни йони, които играят ключова роля в антибактериалната активност на AgNPs (Morones et al., 2005).

Освен директното антимикробно действие, AgNPs могат да взаимодействат с екстрацелуларния матрикс на биофилмите, разрушавайки ги и улеснявайки проникването на антибактериалните агенти в микроорганизмите (Stewart & Costerton, 2001). Това води до инхибиране на образуването на нови биофилмови структури и елиминиране на съществуващите колонии (Wang et al., 2019).

Сравнение между Ag⁺ и AgNPs

Докато сребрените йони и наночастици споделят сходни антибактериални свойства, те се различават по няколко ключови аспекта. AgNPs предлагат по-голяма ефективност поради своята по-голяма повърхностна площ и способността си да генерират ROS (Morones et al., 2005). Освен това, AgNPs могат да бъдат функционализирани със специфични молекули за целенасочено доставяне към определени патогени или биофилмови структури (Lan et al., 2017).

От друга страна, сребрените йони могат да бъдат по-лесно регулирани и контролирани в зависимост от нуждите на терапията (Rai et al., 2009). Въпреки това, AgNPs предлагат по-висока стабилност и дълготрайност в сравнение със сребрените йони, което ги прави по-подходящи за приложения, изискващи продължително антимикробно действие (Wang et al., 2019).

Механизъм на действие на среброто срещу биофилмите:

1. Деструктивно взаимодействие със структурата на биофилма
Сребрените йони (Ag⁺) и наночастиците (AgNPs) могат директно да взаимодействат с екстрацелуларния матрикс на биофилма, разрушавайки неговата структурна цялост. Изследвания показват, че AgNPs могат да проникват в биофилмовата материя и да нарушават междуклетъчните връзки, което води до дестабилизиране на целия биофилм (Stewart & Costerton, 2001). Този процес улеснява проникването на антимикробните агенти до микроорганизмите, което увеличава ефективността на лечението.
2. Генерация на реактивни кислородни видове (ROS)
Един от ключовите механизми на действие на среброто е генерирането на реактивни кислородни видове (ROS), които предизвикват оксидативен стрес в бактериалните клетки. AgNPs могат да катализират образуването на ROS като супероксидни аниони (O₂⁻), водороден пероксид (H₂O₂) и хипохлоритни йони (ClO⁻), които повреждат клетъчните компоненти като липиди, протеини и ДНК (Wright et al., 2008). Този оксидативен стрес води до апоптоза или некроза на бактериалните клетки, което спомага за унищожаването на биофилмовите колонии.
3. Интеракция с клетъчната мембрана и протеините
Сребрените йони и наночастиците могат да се свързват с бактериалните клетъчни мембрани и да нарушат тяхната интегритентост. Това води до увеличена пропускливост на мембраната, което причинява изтичане на клетъчни компоненти и в крайна сметка води до клетъчна смърт (Rai et al., 2009). Освен това, Ag⁺ йоните могат да инхибират жизненоважни ензими, участващи в метаболитните процеси на бактериите, като се свързват с тиоловите групи в протеините (Liao et al., 2010). Това инхибиране на ензимната активност допринася за загубата на клетъчната функционалност и води до смърт на клетките.
4. Повреда на генетичния материал
Сребрените йони имат способност­та да взаимодействат директно с бактериалната ДНК, причинявайки генетични мутации и нарушаване на репликационните процеси (Rai et al., 2009). Това води до неспособност на бактериите да се възпроизвеждат и да поддържат жизнените си функции, което допълнително засилва антимикробния ефект на среброто.
5. Пречистване на комуникационните сигнали (квази-комуникация)
Биофилмите разчитат на комуникационни сигнали, известни като квази-комуникация (quorum sensing), за координация на биофилмовото развитие и антимикробната рези­стентност (Flemming et al., 2016). Среброто може да инхибира квази-комуникационните пътища, нарушавайки комуникацията между бактериите и предотвратявайки ефективното образуване и поддържане на биофилмовите структури (Wang et al., 2019). Това намалява координацията на микроорганизмите и ги прави по-уязвими към антимикробните агенти.
6. Синергичен ефект с други антимикробни агенти
Среброто може да действа синергично с други антимикробни агенти, усилвайки тяхната ефективност и намалявайки необходимите дози на антибиотици (Wright et al., 2008). Например, комбинацията на AgNPs с традиционни антибиотици (като пеницилин или цефалоспорини) показва повишена антимикробна активност, което води до по-ефективно унищожаване на биофилмовите колонии и намалява вероятността от развитие на резистентност (Zhang et al., 2011).
7. Модулация на имунната система
Освен директното антимикробно действие, среброто може да модулира имунната система на организ­ма. Това се осъществява по няколко нива. Сребрените наночастици могат да стимулират макрофагите, което води до повишаване продукцията на цитокини (Dos Santos et al., 2012). Подобрява се миграция на неутрофилите към мястото на инфекцията и се увеличава тяхната фагоцитозна активност (López et al., 2016). Стимулира се диференциацията и активацията на дендритните клетки, което води до по-ефективно представяне на антигени на Т-клетките и усилване на имунния отговор (Zhang et al., 2014).

Среброто може да влияе върху активацията и диференциацията на Т-клетките, стимулирайки производството на проинфламаторни цитокини като интерлевкин-2 (IL-2) и интерферон-гама (IFN-γ) (Galdiero et al., 2014). И не на последно място среброто може да стимулира активацията на B-клетките и производството на антитела, което допринася за по-силен хуморален имунен отговор и по-добра защита срещу повторни инфекции (Wang et al., 2015).

Изследванията демонстрират много от тези механизми. Morones et al. (2005) показват, че AgNPs имат директно бактерицидно действие чрез разрушаване на клетъчните мембрани и генетичния материал. Rai et al. (2009) описват как Ag⁺ йоните инхибират метаболитните процеси чрез взаимодействие с протеините и ДНК. Stewart и Costerton (2001) подчертават ролята на среброто в разрушаването на биофилмовия екстрацелуларен матрикс, което увеличава чувствителност­та на микроорганизмите към антимикробните агенти.
Освен това, проучванията на Zhang et al. (2011) показват, че комбинацията от AgNPs и традиционни антибиотици може да доведе до синергичен ефект, който подобрява антимикробната ефективност и намалява необходимите дози на антибиотици. Wang et al. (2019) обсъждат ролята на ROS в антимикробната активност на AgNPs и тяхната способност да пречистват биофилмовите структури.

Предимства на среброто

Среброто има множество предимства като антимикробно средство. То е ефективно срещу широк спектър от микроорганизми, включително бактерии, гъбички и вируси (Rai et al., 2009). Освен това, среброто е по-малко податливо на развитие на резистентност в сравнение с традиционните антибиотици, което го прави устойчиво средство в борбата срещу инфекциите (Morones et al., 2005).

Наночастиците на среброто могат да бъдат модифицирани за целенасочено доставяне, което подобрява тяхната ефективност и минимизира нежеланите странични ефекти (Lan et al., 2017).

В областта на оториноларингологията, както сребърните йони, така и AgNPs са използвани за лечение на хронични биофилм-инфекции. Например, сребрените наночастици могат да бъдат интегрирани в различни медицински устройства и материали, като например кохлеарни импланти, протези за средното ухо, медицински инструменти, за да предотврати образуването на биофилми и развитие на инфекции (Zhang et al., 2011). Освен това, сребрените йони могат да бъдат включени в локални терапии, като капки, спрейове за нос, гърло, уши, както и под формата на кремове за рани и кожни инфекции (Rai et al., 2009).

Изследванията показват, че комбинацията от Ag⁺ и AgNPs може да увеличи ефективността на лечението чрез синергични ефекти, които затрудняват микроорганизмите да развият резистентност (Wright et al., 2008).

Това прави среброто ценен инструмент в борбата с устойчивите инфекции в оториноларингологията (Morones et al., 2005).

Странични ефекти и безопасност

Въпреки многото предимства, употребата на среброто може да бъде свързана със странични ефекти. То може да се натрупва в организма, причинявайки аргирия – състояние, при което кожата придобива сиво-кафяв оттенък, което обикновено е необратимо (Rai et al., 2009). Високите концентрации на сребрени йони могат да бъдат токсични за човешките клетки и да предизвикат увреждания на бъбреците и черния дроб (Miller, 2003).

Затова е необходимо внимателно контролиране на дозировката и формата на среброто при медицинско приложение (Lan et al., 2017). Наночастиците на среброто също могат да причинят възпалителни реакции и оксидативен стрес, което изисква допълнителни изследвания за оценка на тяхната биосигурност (Wang et al., 2019). Ефективното управление на тези рискове включва разработването на по-сигурни и биосъвместими форми на среброто, както и мониторинг на нивата му в организ­ма при продължителна употреба (Zhang et al., 2011).

Перспективи и бъдещи изследвания

Бъдещите изследвания в областта на среброто и биофилмите се фокусират върху разработването на по-безопасни и ефективни форми на сребро, като например функционализирани наночастици, които могат да бъдат насочени към специфични патогени (Morones et al., 2005). Допълнително, изследванията се насочват към комбиниране на среброто с други антимикробни агенти за синергичен ефект и предотвратяване на развитието на резистентност (Wright et al., 2008). Разработването на нови доставни системи и материали, обогатени със сребро, също представлява обещаваща област за бъдещи иновации в лечението на биофилм инфекции (Lan et al., 2017). Освен това, необходими са клинични изпитвания за оценка на ефективността и безопасността на среброто в реални условия на медицинска практика (Wang et al., 2019). Разширените изследвания върху механизмите на действие и взаимодействието между среброто и различните микроорганизми могат да доведат до оптимизиране на терапевтичните стратегии и намаляване на страничните ефекти (Zhang et al., 2011).

Заключение

Среброто представлява мощно антимикробно средство с потенциал за ефективно лечение на биофилм инфекции в областта на оториноларингологията. Неговите уникални свойства, включително широкия спектър на действие и способност­та да разрушават биофилмовите структури, го правят предпочитан избор. Въпреки потенциалните странични ефекти, подходящото използване и развитието на нови форми на сребро могат значително да повлияят хроничните биофилм инфекции в областта на оториноларингологията. Бъдещите изследвания са необходими за оптимизиране на неговата ефективност и безопасност, както и за интегрирането му в съвременните терапевтични стратегии.

книгопис:
1. Costerton, J. W., Stewart, P. S., & Greenberg, E. P. (1999). Bacterial biofilms: A common cause of persistent infections. Science, 284(5418), 1318-1322.
2. Dos Santos, V. G., Nakayama, M., Verly, C., Sato, C., et al. (2012). Silver nanoparticles induce cytokine production and oxidative stress in human monocytic cells. International Journal of Nanomedicine, 7, 4531-4540.
3. Flemming, H.-C., Wingender, J., Szewzyk, U., Steinberg, P., Rice, S. A., & Kjelleberg, S. (2016). Biofilms: An emergent form of bacterial life. Nature Reviews Microbiology, 4(9), 555-567.
4. Galdiero, M. R., Riva, A., Puoci, F., et al. (2014). A novel pro-inflammatory immunomodulatory role of silver nanoparticles in human primary dendritic cells. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 10(8), 1451-1461.
5. Lan, Y., Li, Y., Xia, T., Ye, Y., & Huang, Y. (2017). Recent advances on the synthesis, stabilization, antibacterial activities and biomedical applications of silver nanoparticles. Biomaterials Science, 5(1), 1-18.
6. Liao, Y., Wu, D., Chen, H., & He, M. (2010). Antibacterial mechanisms of silver nanoparticles and nanosilver colloids. Journal of Nanobiotechnology, 8(1), 1-10.
7. López, V., Ang, S., Ho, E., Chan, P., et al. (2016). Effects of silver nanoparticles on the activation of neutrophils in vitro. International Journal of Nanomedicine, 11, 2693-2705.
8. Miller, J. N. (2003). Silver: The element with antimicrobial properties. Journal of Chemical Education, 80(7), 1204.
9. Morones, J. R., Elechiguerra, J. L., Camacho, A., Holt, K., Kouri, J. B., & Ramírez, J. T. (2005). The bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology, 16(10), 2346-2353.
10. Rai, M., Yadav, A., & Gade, A. (2009). Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials. Biotechnology Advances, 27(1), 76-83.
11. Stewart, P. S., & Costerton, J. W. (2001). Antibiotic resistance of bacteria in biofilms. Lancet, 358(9276), 135-138.
12. Wang, X., Liu, Y., Zheng, X., Li, W., & Lin, Y. (2019). Silver nanoparticles: Synthesis, properties, and applications. International Journal of Nanomedicine, 14, 903-919.
13. Wright, A. C., Pegues, D. A., & Zavascki, A. P. (2008). Silver nanoparticles as a promising new generation of antimicrobials. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 4(1), 95-102.
14. Zhang, W., Xie, H., & Sun, Y. (2011). Silver nanoparticles: A new generation of antimicrobials. Biomaterials, 32(7), 1967-1978.