Як акули можуть допомогти медицині рятувати життя
Цей блог є перекладом виступу TedX «How sharks inspired a new generation of medical devices | Ethan Mann | TEDxMileHigh» 2019 року.
У ВМС США завжди була одна проблема з флотом. З тим, що ми називаємо «брудом».

Для тих із вас, хто не знайомий з жаргоном моряків, бруд - це водорості, черепашки та інші морепродукти, застряють в кораблях і підводних човнах. Щоб запобігти забрудненню, суду покривали токсичними речовинами, напирклад важкими металами. Але вони не такі ефективні, як раніше. І ми хочемо очистити ці кораблі, тому що бруд на них знижує їх ефективність, і ворогам легшати їх виявити. Хорошого в цьому мало.

Управління військово-морських досліджень США в минулому році запросило мого колегу доктора Ентоні Бреннана, щоб він придумав рішення цієї проблеми без використання важких металів. На той час д-р Бреннан вже досліджував, як шорсткість поверхні може перешкодити водоростям приклеюватися до суднів.

Але йому було нелегко. У результаті, водорості навчилися приставати до всіх придуманим ним поверхонь. Одного разу Бреннан був на конференції в Гаваях і помітив дещо дуже інтригуюче. Погляньте на цих трьох тварин: ламантина, кита й акулу.

Що-небудь помітили?

Так. Правильно.

Кіт і ламантін брудні, тоді як акула кристально чиста. Цей феномен притаманний усім видам акул. Коли наступного разу ви будете дивитися «Тиждень Акул», ви помітите, що кожна акула просто як новенька. Чому так?

Бреннан вирішив це з'ясувати. Так що з кількома відважними студентами він відправився на пошуки акули. Вони знайшли одну на мілководді, взяли зразок її шкіри і зробили медичний висновок. Не хвилюйтеся. Акула не постраждала, хоча я впевнений, що їй це не особливо сподобалося. Студенти доставили зразок в лабораторію і підставили його під мікроскоп. Ось він!
Шкіра акули складається з маленьких зубчиків, накладених один на одного, що створює на шкірі ромбоподібний малюнок, який повторюється. Крім цього відкриття, Бреннан зі своєю командою звернув увагу на текстуру самих зубчиків, яка по суті і забезпечує чистоту акул.

Як мікробіологу й інфекіоністу мене цей феномен захоплює. Я роками намагався зробити поверхні ідеально чистими, особливо поверхні медичного обладнання. Це серйозна проблема для лікарень. Наприклад, бактерії, які, як правило, не становлять загрози, опиняються там, де їм не місце, в результаті медичної процедури.

Буває, що під час і після операції бактерії потрапляють на медичне обладнання, затримуються там і викликають серйозне зараження, роблячи одужання практично неможливим.

Погляньте на ці хірургічні нитки, які використовують при зашиванні після операції на відкритому серці. Помітили крихітні скупчення бактерій на проволоках?

Цей пацієнт довго не міг вилікуватися, поки ті нитки не були видалені і не замінені на чисті.

Знаєте, раніше ми просто давали антибіотики, щоб впоратися з інфекціями. І це працювало чудово. Правда, недовго ... Як результат, бактерії піддавалися впливу антибіотиків так часто, що адаптувалися до них. Виживання грає ключову роль в еволюції, і ми як раз про це зараз і говоримо: про еволюцію бактерій. Можливо, ви чули про нех в новинах. Це називається «стійкість до протимікробних препаратів».

Центр по контролю і профілактиці захворювань США назвав це явище однією з головних проблем громадської охорони здоров'я. Хвороби, які раніше були виліковні, більше невиліковні. Тільки в США щороку більше двох мільйонів осіб заражаються стійкими до ліків бактеріями, і більше 23 000 чоловік вмирають від них.
Фармацевтична індустрія поспішає винайти все більше і більше антибіотиків, відчайдушно намагаючись побороти стійкість до лікарських препаратів. Але бактерії і мікроби розвиваються набагато швидше, ніж ми можемо розробити способи їх знищення.

Очевидним є те, що ера антибіотиків добігає кінця.

Так що ми повинні поглянути на ситуацію по-новому. Що, якщо замість того, щоб знищувати бактерії після зараження, ми з самого початку зменшимо можливість їх потрапляння на медобладнання? Іншими словами, ми взагалі не дамо їм опинитися на ньому.

Це повертає мене до того, чому ми навчилися в акул.

Текстура акулячої шкіри робить її стійкою до забруднення. Що буде, якщо ми змінимо текстуру медичного обладнання, зробивши його стійким до бактерій, через яких стільки проблем?
Д-р Бенна знав, що він зробив велике відкриття для медицини. І прямо тут, в Денвері, Колорадо, він запросив надійних друзів, і вони заснували компанію, назвавши її Sharklet Technologies. У 2013 році я приєднався до них. І разом ми розробили поверхні на основі акулячої шкіри, щоб запобігти зараженню та іншим ускладненням. Наш перший продукт - урологічний катетер, який лікарі почали використовувати тільки в минулому році. Погляньте на ці ілюстрації.
Та поверхню, що зліва - гладка, а та, що праворуч - поверхня на зразок акулячої шкіри. Зверніть увагу, як багато бактерій в першому варіанті, і порівняйте його з другим. Це тому, що текстура, подібна до акулячої шкіри, є несприятливим середовищем для потрапляння і поширення бактерій. Це працює на акулах, і це також може бути застосовано дл медобладнання, тому що ця текстура робить поверхню максимально оптимальною.

Термін «енергія поверхні» насправді описує її властивість. Вона може включати в себе взаємодію з водою або жорсткість матеріалу. Шорсткість, виконана за прикладом акулячої, створює поверхню з вищою «енергією поверхні». Ми постійно стикаємося зі змінами в енергії поверхні. Нерідко ми просто цього не помічаємо.

Наприклад, нам подобається, коли краплі дощу падають на машину і скочуються з неї. І найкраще це відбувається при восковому покритті. Віск - це матеріал з високою «енергією поверхні». Тільки ми не можемо покрити медобладнання воском, але ми можемо змінити текстуру його поверхонь. І

це працює на всіх типах медичного обладнання, від катетерів до електрокардіостимуляторів, і це ефективно в боротьбі з усіма видами бактерій і мікробів. Виходить, ми можемо зробити більше, ніж антибактеріальне медобладнання. Ми можемо запобігти іншим ускладненням, зрозумівши силу «енергії поверхні», наприклад при закупорці судин, надмірному згортанні крові і нестачі ознак одужання.

Наступне покоління медичного обладнання на основі акулячої шкіри розширить можливості для розробки найкращих медінструментів. Суть проблеми в тому, що ми створюємо всякого роду складне медичне обладнання, включаючи інструменти, що регулюють серцебиття або навіть стимулюють мозкову активність. Але неприємності трапляються, коли це обладнання не взаємодіє нормально з нашим організмом.


Ми виявили, що можемо покращити наше медобладнання, злегка підлаштовуючи характеристики енергії поверхні, наприклад, для запобігання надмірного згортання, яке виникає на гладкій поверхні на відміну від акулоподібної текстури. Це означає, що ми можемо досягти необхідної поверхневої енергії в застосуванні до медицини для запобігання ускладнень, і все завдяки акулам.

У підсумку, у міру того, як ми продовжимо розробляти розумні поверхні, ми все менше будемо потребувати антибіотиках, в хімічних продуктах і всяких складних добавках, і це зробить медичні технології, які рятують життя, безпечніше для всіх нас. Це інновація в чистому вигляді. Але це також гарне нагадування про те, як важливо помічати непомітні підказки, які залишаються в таємницях світу навколо нас.