Механизм биоцидного действия полиэлектролитов

1.6 Механизм биоцидного действия полиэлектролитов

Под собственной физилогической активностью полимеров обычно понимают активность, которая связана с полимерным состоянием и не свойственна низкомолекулярным аналогам или мономерам [45]. С учетом сказанного выше, механизмы проявления собственной физиологической активности могут включать в себя как важнейшую составляющую физические эффекты, связанные с большой массой, осмотическим давлением, конфор- мационными перестройками и др., а также могут быть связаны с межмолекулярными взаимодействиями и с биополимерами организма. Многие биополимеры организма являются полианионами (белки, нуклеиновые кислоты, ряд полисахаридов), а биомембраны также имеют суммарный отрицательный заряд. Взаимодействие между противоположно заряженными полиэлектролитами протекают кооперативно, причем образующиеся в результате поликомплексы достаточно прочны. Известно, что наибольшее значение имеют при таких взаимодействиях плотность заряда и молекулярная масса [4, 5, 17-19]. Если же говорить о биоцидных свойствах, то важную роль в этом случае играет знание механизма действия.

Последовательность элементарных актов летального действия полиэлектролита на бактериальные клетки может быть представлены следующим образом [5]:

      адсорбция поликатиона на поверхности бактериальной клетки;

      диффузия через клеточную стенку;

      связывание с цитоплазматической мембраной;

      разрушение или дестабилизация цитоплазматической мембраны;

      выделение из клетки компонентов цитоплазмы;

      гибель клетки.

В первую очередь, это касается поликатионов, так как биомембраны имеют отрицательный суммарный заряд, хотя отрицательно заряженные в целом клеточные мембраны имеют изолированные поликатионные области, на которых могут сорбироваться полианионы [45].

При изучении влияния различных факторов на уровень антимикробной активности катионных полиэлектролитов было показано [46], что их активность возрастает с увеличением числа ионогенных групп в макромолекуле [5]; молекулярная масса и характер распределения ионогенных групп по цепи не влияют существенно на уровень антимикробной активности. Использование полиэлектролитов с люминисцентной меткой [47] при изучении взаимодействия полимеров с эритроцитами и бактериальными клетками показало, что полимер быстро связывается клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной, а затем уже проникает в цитоплазму и ядро клетки. При этом увеличивается проницаемость клеточной мембраны как для низкомолекулярных [5, 30, 31], так и высокомолекулярных веществ [48]. Повышение концентрации полиэлектролитов до 50-100 мкг мл"¹ и более приводит к интенсивному повреждению клеточной мембраны, обнаруживаемому по выделению из клеток белков и нуклеиновых кислот [49-50].

Ключевым моментом в механизме действия катионных полиэлектролитов на биологические мембраны является электростатическое взаимодействие с отрицательно заряженными фосфолипидами и белками, локализованными в ней. Следствием этого является нейтрализация заряда мембраны и клетки в целом, а также изменение соотношения гидрофобных и электростатических взаимодействий, стабилизирующих мембрану.

В работе [51] исследовано поведение полиэлектролитов в биологическом окружении. Авторы для изучения взаимодействия клеток с полиэлектролитами использовали модельные системы - бислойные липидные везикулы. Поведение системы поликатион-везикула было исследовано в зависимости от строения и линейной плотности заряда поликатиона, фазового состояния мембраны, содержания заряженного липида в везикулах и их размера, а также ионной силы раствора. Показано, что данное взаимодействие может сопровождаться латеральной агрегацией липидов, резким ускорением трансмембранной миграции липидных молекул (флип-флопом), торможением обмена липидов между везикулами, встраиванием адсорбированных макромолекул в везикулярную мембрану, а также агрегацией и разрушением везикул. Поликатионы, адсорбированные на мембране только за счет электростатических взаимодействий, могут быть количественно вытеснены в раствор при увеличении ионной силы раствора или при добавлении избытка полианиона-конкурента. Это приводит к восстановлению как исходного распределения липидов в мембране, так и межвезикулярного обмена липидов. Гидрофобизация основной цепи поликатиона или модификация цепи боковыми гидрофобными радикалами обеспечивает стабильность комплекса поликатион-везикула в водно-солевых растворах и в присутствии значительных избытков отрицательно заряженных полиионов за счет встраивания гидрофобных фрагментов поликатиона в гидрофобную часть везикулярной мембраны.

Полученные результаты представляют интерес с точки зрения прогнозирования возможных последствий контакта полиэлектролитов и биоцидных веществ на их основе с клеточной поверхностью. Таким образом, дестабилизация мембраны ведет к изменению локализации и фосфолипид- ного окружения ферментов, связанных с мембраной, что естественно отражается на их активности. При этом несомненный интерес представляет выяснение влияния катионных полиэлектролитов на бактериальные ферменты, обусловливающие устойчивость бактериальных клеток к антибиотикам.

Оказалось , что катионные полиэлектролиты взаимодействуют также и с бактериальными ферментами. Обнаружено ингибирующее действие четвертичных аммониевых солей полидиэтиламиноэтилметакрилата и полиди- метиламиноизопропилметакрилата на ферменты «агрессии» (факторы пато- генности) золотистого стафилококка - плазмокоагулазу и гиалуронидазу, которые обуславливают его патогенность [50]. Эти полимеры также подавляли способность стафилококкового а-токсина гемолизировать эритроциты кролика. Катионные полиэлектролиты проявляют ингибирующее действие также в отношении бактериальных ферментов, инактивирующих антибиотики; пенициллиназу, гидролизующую амидную связь Р-лактамного кольца пенициллинов и превращающую пенициллины в неактивные пенициллои- новые кислоты. Свойство катионных полиэлектролитов подавлять активность бактериальных ферментов, инактивирующих антибиотики, а также повышать проницаемость клеточной стенки и цитоплазматической мембраны может способствовать усилению действия антибиотиков в отношении резистентных (устойчивых к действию антибиотиков) штаммов бактерий, так как при этом создаются условия, облегчающие достижение антибиотиком его мишени в клетке. Поэтому катионные полиэлектролиты представляют интерес не только как новые антимикробные вещества, но и как мем- бранотропные биологически активные полимеры-носители для низкомолекулярных биоцидных веществ.

Таким образом, по имеющимся к настоящему времени данным, механизм биоцидного действия катионных полимерных биоцидных веществ, и, в частности, аминогуанидинсодержащих, состоит в следующем. Поскольку микроорганизмы обычно обладают отрицательным суммарным электрическим зарядом, они субстантивны к катиону бактерицидного препарата, который, соприкасаясь с микроорганизмом, адсорбируется на клеточной мембране, вызывает ее лизис и проникает внутрь клетки. Находясь внутри нее, препарат оказывает блокирующее действие на биологическую активность ферментов, препятствует репликации нуклеиновых кислот и угнетает дыхательную систему [52-53]. В своей совокупности этот комплекс воздействий препарата приводит к гибели микроорганизма.