Металлические импланты — такие, как искусственные суставы, штыри или пластины, которые скрепляют кости — могут помочь пациентам с травмами или пожилым людям с возрастными изменениями. Благодаря таким имплантам пациенты нередко снова могут заниматься спортом и активно двигаться. Однако иногда в участок между имплантом и здоровой тканью могут проникать бактерии, и в таком случае может понадобиться операция. Но что если бы врачи могли уничтожать заражения извне, не прибегая к медикаментам и операциям? Два исследователя разрабатывают метод для того, чтобы сделать это. В этом может помочь специальный магнит.

Причина, по которой это может быть не так просто так сделать — это то, что бактерии формируют биопленки. Это тонкие слои, состоящие из бактерий и выделяемого им вещества, покрытых защитным слоем из слизи. Один из примеров такой биопленки — налет на зубах. Но если налет можно механически счистить хорошей зубной щеткой, то от биопленки, расположенной внутри колена или между пластинами на пальце, избавиться далеко не так просто. Всего 1-2% пациентов страдают от подобной проблемы, тем не менее, это довольно большое количество людей. Кроме того, по мере развития таких инфекций их становится всё сложней и болезненней лечить. Часто могут потребоваться дополнительные операции по замене пораженного сустава, а также необходимы антибиотики для борьбы с распространением инфекции.

Юго-Западный медицинский центр университета Техаса

Дэвид Гринберг начал размышлять над поиском нового решения проблемы. Он является врачом и исследователем, который работает над предотвращением инфекций. «Какими способами мы можем предотвратить замену сустава человека, когда он подвергся заражению?» — заинтересовался он. Он обсудил этот вопрос с коллегой, Радживом Чопрой. Чопра биофизик — ученый, исследующий, как физические силы действуют в повседневной жизни. Оба они работают в Юго-Западном медицинском центре университета Техаса в Далласе.

Совместно они пришли к мысли об МРТ — магнитно-резонансной томографии. Врачи часто используют этот диагностический метод для визуализации мягких тканей, внутренних структур — например, головного мозга, мышц, сердца. Для создания изображений МР-аппарат использует мощное магнитное поле. Однако когда магнитные волны взаимодействуют с металлом, они нагревают его. Это может быть опасно для людей с металлическими импланатами или электронными стимуляторами. Но что если бы врачи могли использовать это нагревание на пользу для здоровья пациентов? «Мы попробовали перевернуть эту концепцию», — говорит Гринберг.

Нагревание магнита

В некоторых случаях инженеры преднамеренно используют переменные магнитные поля, чтобы происходило нагревание — такой процесс называется «индукционный нагрев».

Когда электричество проходит по витку катушки, вокруг нее создается магнитное поле. При движении электричество меняет свою величину и направление, и такое явление называется переменным током (он также используется в обычных домашних розетках). Под воздействием переменного тока магнитное поле МР-томографа также становится переменным. Если предмет, сделанный из металла (или любого другого материала, проводящего ток), поднести к аппарату с переменным магнитным полем, переменный электрический ток начнет взаимодействовать с металлом. Поскольку металл обладает свойством сопротивляемости току, то часть энергии будет высвобождаться в виде тепла. Поскольку мягкие ткани человека на переменный ток не реагируют, нагреваться они не будут.

Гринберг и Чопра захотели узнать, можно ли при помощи этого вырабатываемого тепла уничтожать вредоносные бактерии, не причиняя вреда пациенту. Чтобы проверить эту идею, они поместили кусочек металла с биопленкой в переменное магнитное поле. Это сработало — биопленка исчезла. Затем было необходимо выяснить, как нагревание импланта может сказываться на других частях организма. Мышцы и кости не проводят электричество, так чтo они не нагревались. Однако как при прикосновении к нагретому металлу можно обжечь руку, так и нагретый имплант обжигал ткани, находящиеся рядом с ним.

«Если вы думаете о тепле как о лекарстве, какую дозу лучше всего использовать, чтобы уничтожить биопленку, но не причинить вреда окружающим тканям?» — спрашивает Гринберг. Чтобы выяснить это, его команда поставила опыт на мышах. Животным в лапки были вставлены маленькие кусочки металла без биопленки, поскольку целью было проверить безопасность нагревания металлического импланта, расположенного рядом с тканями.

По его словам, в результате экспериментов было выяснено, что «это было подобно одномоментному нагреванию — как электрический разряд — и это более безопасно, чем постепенное нагревание». Его команда будет проводить больше опытов на животных, прежде чем предлагать эту технику пациентам.

Нужны ли антибиотики?

Хотя лекарства транспортируются по организму, они не локализуются в одном месте. Поэтому они не являются панацеей при инфекциях, поражающих импланты. Однако Гринберг и Чопра протестировали антибактериальные средства в совокупности с нагреванием импланта. И, как сообщает Гринберг, «оказалось, что вместе эти методы терапии работают гораздо, гораздо лучше, чем по отдельности». Это очень важно, поскольку лечение будет более безопасным, если применять сразу оба метода. Комбинируя МР-терапию с приемом антибиотиков, врачи могут лечить инфекционные заболевания, используя их в меньшей степени, чем это могло бы понадобиться при применении только одного лекарственного метода.

Одним из специалистов, принимающих участие в проводимом исследовании, является Дуглас Осмон (Douglas Osmon) — врач-инфекционист в медицинском колледже при клинике Мэйо в Рочестере, штат Миннесота. Он работает с врачами-ортопедами, которые специализируются на заболеваниях костей и суставов. Поиск неинвазивных методов лечения биопленочных инфекций на протяжении долгого времени был целью врачей, работающих с медицинскими имплантами, такими, как, например, коленные суставы. Это может быть особенно полезно, если это ограничит потребность пациента в антибиотиках, что позволит снизить их побочные эффекты.

Однако при этом он отмечает, что требуется некоторое время на то, чтобы узнать, действительно ли при помощи магнитного поля можно лечить биопленочные инфекции людей — опыты пока проводились только на мышах. «Как правило, современные импланты не содержат металла, в них часто присутствуют пластиковые элементы,закрепленные при помощи костного цемента или винтов. Не будет ли нагревание плавить пластик или повреждать цемент? Не повредит ли это импланту, который установлен прямо в костной ткани? Это важные вопросы», — отмечает Осмон. «Нецелесообразно лечить инфекцию таким способом, если при этом повреждается имплант, — предупреждает он, — однако предлагаемые идеи кажутся многообещающими».

По материалам sciencenewsforstudents.org