Модели стентов мочеточников с мерцающими ресничками самоочистились от биопленок

Швейцарские и американские исследователи разработали микрофлюидную модель стентов и катетеров мочевыводящих путей с активируемыми ультразвуком биомиметическими ресничками, функционально напоминающими мерцательный эпителий. В экспериментах устройство эффективно самоочищалось от корки кристаллических солей и бактериальных биопленок. Отчет о работе опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Формирование бактериальных биопленок на медицинских стентах и катетерах нарушает их проходимость и повышает риск инфекций, что снижает срок службы этих устройств и требует частой из замены. В стентах мочеточников и катетерах мочевого пузыря ситуация дополнительно осложняется отложением корки из кристаллов солей, которое усиливается в присутствии производящих уреазу бактерий. Биопленки и корки солей могут формироваться и на внутренней поверхности стентов, ухудшая отток мочи, и на наружной, затрудняя их извлечение. Различные технологии для борьбы с этим явлением недостаточно эффективны: антибактериальное покрытие стентов быстро перестает действовать из-за образования корки солей, а совершенствование дизайна устройств для повышения касательного напряжения осложняется тем, что моча выделяется неравномерно в течение суток, и в периоды замедления ее тока отложение солей усиливается.

Франческо Клавика (Francesco Clavica) из Бернского университета с коллегами почерпнули идею для разработки в природных ресничках (ими обладают, к примеру, личинки морских звезд и мерцательный эпителий дыхательных путей млекопитающих), синхронное движение которых обеспечивает движение жидкости и содержащихся в ней частиц по поверхности. Для экспериментов они создали микрофлюидный стент-на-чипе из полидиметилсилоксана. Он представляет собой прямоугольный микроканал с активируемыми ультразвуком ресничками на внутренних стенках, закрепленный на предметном стекле микроскопа. К этому же стеклу прикрепили пьезоэлектрический преобразователь с электронным генератором колебаний и усилителем и поместили всю конструкцию под инвертированный микроскоп.

Для подбора оптимальных с точки зрения акустического потока характеристик авторы работы использовали разные длины ресничек (20, 100 и 175 микрометров), ширину их оснований и расстояние между ними. Микроканал заполняли жидкостью со взвешенными двухмикрометровыми частицами полистирола для визуализации ее тока. Акустическое поле в системе генерировали сигналом с квадратной формой волны частотой 17 килогерц и размахом напряжения 45 вольт, снимая происходящее под микроскопом на высокоскоростную камеру. Оптимальными оказались реснички длиной 100 микрометров, которые обеспечивали касательное напряжение стенки в интервале 1–10 паскалей и ток жидкости до 10 миллиметров в секунду; их использовали в дальнейших экспериментах.

Опыты по самоочистке начали с перфузии стента-на-чипе водой с шестимикрометровыми частицами полистирола со скоростью 30 микролитров в минуту на протяжении получаса, что привело к накоплению частиц между ресничками. Их активация ультразвуком устранила частицы за пять секунд. Затем для перфузии стента использовали перенасыщенную искусственную мочу, после чего выпарили из него жидкость в течение двух часов при 85 градусах Цельсия. На стенках остались кристаллические кластеры из карбоната и оксалата кальция и мочевины. Акустическая активация частотой 99,6 килогерца и размахом 58,5 вольта удалила эти кластеры за 6,6 секунды.

На следующем этапе стент-на чипе-заполнили взвесью штамма JM83 кишечной палочки (Escherichia coli) — преобладающего патогена мочевыводящих путей — и оставили статично в течение часа. После этого через него в течение суток пропускали жидкую питательную среду LB со скоростью, имитирующей мочу в мочеточниках, чем вызвали образование бактериальной биопленки. Акустическую активацию ресничек провели в виде четырех залпов частотой 99,6 килогерца и размахом 52,5 вольта продолжительностью примерно по 30 секунд. Она вызывала прогрессирующее отделение биопленки, причем на гладких участках, лишенных ресничек, пленка оставалась прикрепленной к поверхности.

В дополнительных экспериментах исследователи подтвердили, что ультразвук эффективен для очистки поверхности только в присутствии ресничек, а также что система адекватно самоочищается и в участках со стагнацией тока жидкости. Опыты на иммортализированной клеточной линии человеческого уротелия мочеточников TEU-2 показали, что воздействие ультразвука необходимых характеристик не оказывает значимого влияния на их морфологию, пролиферацию, жизнеспособность, апоптоз и не вызывает повреждений ДНК.

Полученные результаты показывают, что подобный акустофлюидный подход может служить эффективным методом самоочистки постоянных стентов и катетеров мочевыводящих путей от кристаллических солевых корок и бактериальных биопленок. Авторы работы продолжают эксперименты с разными характеристиками ресничек и ультразвука, а также более стойкими биопленками, образуемыми синегнойной палочкой (Pseudomonas aeruginosa) и золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus).

Катетеризировать приходится не только мочевыводящие пути, но и кровеносные сосуды. В этой области тоже есть прогресс: в экспериментах сосудистыми катетерами управляли с помощью гидравлики и магнитного поля.