Zdjęcie wykonane dzięki uprzejmości spółki biotechnologicznej Bioton S.A. Źródło: IChF PAN, fot: Grzegorz Krzyżewski

Antybiotyki, od chwili pojawienia się w medycynie, znajdują zastosowanie w terapii licznych infekcji. Dzięki nim wiele chorób szybko odchodzi w niepamięć pacjenta, lecz coraz częściej nie pozostaje to obojętne dla bakterii, prowadząc do nabycia przez nie naturalnej oporności. W efekcie niektóre szczepy są odporne na wszystkie znane nam antybiotyki. Antybiotykoopornych bakterii nie pokona nawet najmocniejszy z nich – wankomycyna. Gdy już dojdzie do zarażenia, pomocy można natomiast szukać w terapii opierającej się na bakteriofagach. Terapia ostatniej szansy to nic innego, jak użycie wyspecjalizowanych wirusów zwanych także fagami lub bakteriofagami, które są groźne dla określonych szczepów bakterii. Fagi są niezwykle skuteczne w leczeniu np. chronicznych chorób układu moczowego. Niestety zdarza się, że roztwory do iniekcji nie są sobie równe, gdyż ilość fagów przed podaniem nagle spada, a to przekłada się na pogorszenie skuteczności terapii.

Opakowanie ma znaczenie

Przyczynę nagłego spadku ilości aktywnych fagów w roztworze rozwikłali badacze z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Zespoły naukowców dr. Jana Paczesnego i prof. Roberta Hołysta udowodniły, że ilość fagów w roztworze zależy od rodzaju opakowania, w jakim są przechowywane. Zaskakujące okazało się, że to, czy fag znajduje się w cieczy, czy „osiada” na stałe na powierzchni ścianek naczynia zależy od hydrofobowości. To właśnie ta cecha powoduje, że ich ilość w roztworze może drastycznie spaść nawet o kilka rzędów wielkości. W pracy badacze przetestowali wiele rodzajów pojemników z powszechnie stosowanego polipropylenu do przechowywania próbek laboratoryjnych. I choć wydaje się, że opakowania pozyskane u jednego producenta są jednakowe, to jak się okazuje, mogą się różnić właściwościami powierzchni. Wszystko za sprawą dodatków do tworzyw sztucznych polepszających elastyczność opakowań.

Znikające fagi

– Zweryfikowaliśmy, czy za obserwowany efekt malejącej liczby aktywnych fagów roztworach umieszczonych w pojemnikach polipropylenowych odpowiadają substancje, które wypłukiwane są z tworzywa sztucznego. Rozważaliśmy możliwość, że substancje wymywane z tworzywa mogą dezaktywować fagi lub chronić je przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak temperatura. Następnie zbadaliśmy ich adsorpcję na ściankach pojemników polipropylenowych jako czynnik stojący za spadkiem ich liczebności w roztworze. Tym samym zaobserwowaliśmy niekontrolowaną adsorpcję fagów i ich późniejsze zniknięcie z roztworu, które może powodować poważne błędy i niepowtarzalne wyniki podczas wykonywania analiz laboratoryjnych. Jest to niezwykle ważne w przypadku terapii fagowych, gdzie liczebność aktywnych fagów odgrywa kluczową rolę – zauważa dr Paczesny. 

Badacze przetestowali różne pojemniki, stosując standardowe procedury laboratoryjne, takie jak: mieszanie, podgrzewanie lub przedłużone przechowywanie aktywnych fagów. Ich badania wykazały, że spadek liczby bakteriofagów w cieczy zależy głównie od właściwości powierzchniowych danego materiału, takich jak zwilżalność. Komplementarnie zbadano również wpływ właściwości samych fagów, w tym właściwości elektrostatyczne ich powierzchni. Wyniki wyraźnie wskazują jednak, że choć ilość ładunku elektrycznego na ich powierzchni nieznacznie wpływa na adsorpcję na powierzchni, to głównym czynnikiem odpowiadającym za zjawisko „znikania” fagów z roztworu jest hydrofobowość tworzywa.

Aby potwierdzić hipotezę, naukowcy zaproponowali konkretne procedury dla pojemników o specyficznych właściwościach, takie jak traktowanie powierzchni tworzywa określonym środkiem powierzchniowo czynnym, ograniczając adsorpcję faga na powierzchni polipropylenu. Rozwiązanie to pozwoliło na dokładne poznanie mechanizmu adsorpcji fagów. Co najważniejsze, naukowcy wyjaśnili, dlaczego fagi mają tendencję do przylegania na niektórych powierzchniach ścianek pojemników. Okazało się, że im bardziej hydrofobowa powierzchnia, tym układ, którym jest ciecz zawierająca fagi, dąży do obniżenia energii. Zatem agregacja fagów na hydrofobowych ściankach pojemnika polipropylenowego jest bardziej opłacalna energetycznie, niż ich przebywanie w głębi roztworu. Dzięki temu, gdy ścianki są pokryte fagami, woda ma ograniczony kontakt z hydrofobowym materiałem.

Terapia zależna od tworzyw sztucznych

– Nasze odkrycia mają kluczowe znaczenie nie tylko dla badań z użyciem fagów do terapii. Naukowcy mogą nawet nie zdawać sobie sprawy, że producent pojemników polipropylenowych może dostarczać pozornie ten sam produkt, który tak naprawdę znacznie różni się właściwościami powierzchni w zależności choćby od partii. To z kolei pozostaje nieobojętne dla wyników badań z użyciem różniącego się tworzywa i może prowadzić do fałszywych wniosków. Co gorsza, jak w przypadku fagów, może nieść nieskuteczność terapii spowodowaną wyłącznie użyciem pojemnika z innej partii lub materiału – donosi dr Paczesny. Okazuje się, że rodzaj tworzywa sztucznego ma diametralny wpływ na ilość aktywnych fagów w roztworze i tym samym – na powodzenie terapii. W starciu ze śmiercionośnymi, antybiotykoopornymi bakteriami ilość fagów, które są jedyną bronią, zredukowana przez właściwości tworzywa użytego to wytworzenia pojemnika, może zaważyć o losach pacjenta. 

Badania zostały dofinansowane z Narodowego Centrum Nauki w konkursie Sonata Bis.

Instytut Chemii Fizycznej PAN