Американские ученые синтезировали новый тип наночастиц на основе оксида гафния, который позволяет диагностировать и лечить зубной налет в рамках регулярного стоматологического осмотра. К поверхности этих части присоединяют органосилановые полимеры и олигопептиды, в результате чего они могут селективно присоединяться к болезнетворным клеткам в налете. Использование таких частиц позволяет обнаруживать бактерии стафилококка с помощью рентгенографических методов и в течение нескольких дней полностью от них избавиться, пишут ученые в Biomaterials.

Уже через несколько часов после чистки на поверхности зубов скапливаются бактерии, которые постепенно склеиваются в единую пленку зубного налета. Эта пленка содержит в своем составе несколько видов колоний бактерий, имеет довольно сложную пространственную организацию и может стать причиной развития кариеса. Основной участник этого процесса — стрептококковые бактерии вида Streptococcus mutans. Эти организмы превращают сахарозу в молочную кислоту, создавая таким образом в ротовой полости кислую среду. Это приводит к тому, что в структуре зубной эмали появляются полости и она становится уязвимой для разрушения. Чтобы эффективно бороться с этим видом стрептококковых бактерий, во-первых, нужно вовремя их обнаружить (это практически невозможно сделать на глаз), а во-вторых — селективно избавиться от лишних болезнетворных бактерий, восстанавливая при этом баланс микрофлоры ротовой полости.

Для повышения эффективности как обнаружения, так и лечения зубного налета, группа американских химиков под руководством Дипанджана Пана (Dipanjan Pan) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне предложила использовать наночастицы оксида гафния состава HfO2. Выбор оксида гафния был определен его потенциалом в качестве рентгеноконтрастного агента — известно, что из-за высокого атомного номера у гафния довольно большой коэффициент ослабления по отношению к рентгеновскому излучению. При этом, несмотря на то, оксид гафния еще и не токсичен, для повышения интенсивности рентгеновских изображений его до этого практически не использовали.

Чтобы исследовать возможность использования оксида гафния для обнаружения бактерий стафилококка на поверхности зубов, ученые синтезировали суспензию наночастиц размером около 5 нанометров. Оказалось, что эти частицы примерно на 30 процентов увеличивают контрастность по сравнению с иодсодержащими контрастными препаратами. Для дальнейшего использования оксидные частицы покрывались органосилановой оболочкой и соединялись с небольшим пептидом, способным селективно связываться с патогеном.

Схема визуализации (снизу) и лечения (сверху) зубного налета с помощью наночастиц оксида гафния. Fatemeh Ostadhossein et al./ Biomaterials, 2018

Ученые выяснили, что если поместить такие частицы на поверхность зуба, то они действительно связываются с нужными бактериями, и после этого их легко можно найти с помощью компьютерной томографии и рентгенографического сканирования. Эту методику ученые сначала проверили в условиях in vitro, а также ex vivo на вырванных человеческих зубах. При этом выяснилось, что наночастицы не только дают возможность обнаружить патоген на поверхности зубов, но и избавить зубы от налета. Так, бактериальную активность зубного налета возрастом в двое суток можно полностью подавить в течение всего 20 минут. По словам авторов работы, механизм снижения бактериальной активности основан на связывании наночастиц с клеточными мембранами, что приводит к постепенному лизису клеток.

Для подтверждения применимости методики и в условиях живого организма, подобный эксперимент ученые провели на зубах живой крысы. Препарат, содержащий наночастицы на основе оксида гафния, ученые давали крысам раз в день в виде водорастворимых таблеток. Оказалось, что в течение 8 суток от зубного налета удалось полностью избавиться, что не удалось сделать, например, с использованием традиционных антисептиков, таких как хлоргексидин.

Зубы крысы с зубным налетом (B) и после обработки в течение 8 суток водой ©, хлоргексидином (D) и наночастицами оксида гафния (E)ю Fatemeh Ostadhossein et al./ Biomaterials, 2018

На основе полученных данных, авторы работы разработали схему обнаружения конкретного штамма бактерий в зубном налете и его лечения в рамках регулярного стоматологического осмотра. Ученые отмечают, что в будущем аналогичный подход может быть использован не только в стоматологии, но для диагностики и лечения других заболеваний, вызванных бактериями.

Препараты на основе оксидных наночастиц довольно часто используют в стоматологии. Например, недавно химики синтезировали новый тип наночастиц, состоящих из оксида титана, покрытые слоем полидофамина, которые позволяют эффективно отбелить зубы, не нанося при этом повреждений зубной эмали.

Автор: Александр Дубов