Биоцидные свойства меди: механизмы и области применения

Медь как биоцидное средство

Ионы меди, как в чистом виде, так и в составе соединений, веками использовались для обеззараживания жидкостей, твердых поверхностей и тканей человека. 

Историческое применение меди для обеззараживания

Металлы, как в виде ионов, так и в составе соединений, веками использовались для обеззараживания жидкостей, твердых поверхностей и тканей.

Древние греки во времена Гиппократа (400 г. до н.э.) первыми обнаружили обеззараживающие свойства меди. Они применяли её для:

• лечения легочных заболеваний

• очистки питьевой воды

В индийских семьях воду из священной реки Ганг хранят в медных сосудах, поскольку медь предотвращает рост бактерий и образование налета.

Финикийцы прикрепляли медные пластины к корпусам кораблей, чтобы избежать обрастания, так как чистые суда были быстрее и маневреннее:

Block, S. S. Disinfection, Sterilisation and Preservation 2001, 9, 1857.
Dollwet, H. H. A., Sorenson, J. R. J. Trace Elements in Medicine 2001, 2, 80.

Расширение медицинского применения меди

К XVIII веку медь широко использовалась в западной медицине для лечения:

• психических расстройств;

• заболеваний легких.

Американские первопроходцы, пересекая континент, клали серебряные и медные монеты в деревянные бочки с водой, чтобы обеспечить безопасное питье.

Во время Второй мировой войны японские солдаты помещали кусочки меди в свои фляги для профилактики дизентерии.

Медь в организме человека

Медь относится к небольшой группе металлов, необходимых для здоровья человека. Эти элементы, наряду с аминокислотами, жирными кислотами и витаминами участвуют в метаболических процессах.

В организме взрослого человека содержится от 1,4 до 2,1 мг меди на килограмм веса.
Ежедневно человек потребляет около 1 мг меди с пищей и водой.
Избыток меди выводится с желчью и фекалиями.

U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service, Agency for Toxic Substances and Disease Registry. Toxicological Profile of Copper 2004.

Медь как бактерицидное средство, применяемое в материалах

Бактериостатический эффект медной поверхности был отмечен доктором Филлис Дж. Кун, которая обучала персонал медицинского центра Hamot в Пенсильвании.

Студенты использовали чашки с кровяным агаром для выявления бактерий из различных источников:

• воды унитазов;

• салата из кафетерия;

• дверных ручек.

На латунных ручках (67% меди, 33% цинка) рост стрептококков и стафилококков был минимальным, тогда как на стальных (88% железа, 12% хрома) наблюдалось обильное размножение грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов:

Kuhn, P. J. http://www.copper.org/environment/doorknob.html, 1983.

Экспериментальные исследования

На основе этих наблюдений исследовали рост бактерий на различных металлах.

Полоски из нержавеющей стали, латуни, алюминия и меди покрыли бульонами с высокой концентрацией бактерий (около 10⁷ бактерий/мл), включая:

• Escherichia coli;

• Staphylococcus aureus;

• Streptococcus group D;

• Pseudomonas spp.

Результаты были впечатляющими:
На медных и латунных полосках рост бактерий практически отсутствовал, тогда как на алюминиевых и стальных наблюдалось обильное размножение всех видов микроорганизмов.

Сравнение по времени действия

Синергетический эффект меди и других соединений

Антибактериальная активность некоторых соединений значительно возрастает при их комбинации с медью:

Chohan, Z. H., Pervez, H., Rauf, A., Scozzafava, A., Supuran, C. T. J. Enzyme Inhib. Med. Chem. 2002, 17, 117
Sau, D. K., Butcher, R. J., Chaudhuri, S., Saha, N. Mol. Cell Biochem. 2003, 253, 21

Примеры эффективных материалов на основе меди

Медный фосфатный цемент, используемый для лечения кариеса, продемонстрировал наибольшую антибактериальную активность как в:

• экспериментальных

• клинических исследованиях

Foley, J., Blackwell, A. Caries Res. 2003, 37, 254
Foley, J., Blackwell, A. Caries Res. 2003, 37, 416

Добавление активированной меди улучшило антибактериальные свойства гидроксида кальция, применяемого для уничтожения бактерий в дентинных канальцах:

Fuss, Z., Mizrahi, A., Lin, S., Cherniak, O., Weiss, E. I. Int. Endod. J 2002, 35, 522

Самоочищающиеся поверхности и медные краски

Эффективность медных красок, создающих самоочищающиеся поверхности, была подтверждена.
Практически все протестированные образцы:

• сокращали количество тестируемых микроорганизмов (S. aureus, E. coli, P. aeruginosa, E. faecalis);

• снижали уровень микробов до незначительного за 24 часа воздействия.

Обрастание судов: последствия и влияние меди

Обрастание, вызванное ростом ракушек, водорослей и других организмов на днищах лодок повышает:

• шероховатость поверхности;

• турбулентность;

• сопротивление;

• расход топлива.

Увеличение шероховатости корпуса всего на 10 мкм может привести к росту расхода топлива на 1%.

Медь против пищевых патогенов

Медные поверхности подавляют рост двух распространенных бактериальных патогенов, вызывающих пищевые отравления:

• Salmonella enterica;

• Campylobacter jejuni.

Добавление меди в питьевые стаканы также снижает образование биопленок Streptococcus sanguis, уменьшая риск инфекций полости рта:

Faundez, G., Troncoso, M., Navarrete, P., Figueroa, G. BMC. Microbiol. 2004, 4, 19
Mulligan, A. M., Wilson, M., Knowles, J. C. Biomaterials 2003, 24, 1797

Медные волокна в текстиле и борьба с внутрибольничными инфекциями

Разработана технология связывания меди с текстильными волокнами, из которых производятся тканые материалы и, соответственно, нетканые материалы.

Возможность включения меди в текстиль открывает значительные перспективы.

Например, медные ткани могут снизить уровень внутрибольничных инфекций.

Основными источниками заражения являются:

• кожная флора пациента;

• микроорганизмы на руках медицинского персонала;

• загрязнённые инфузионные растворы.

Borkow, G., Gabbay, FASEB Journal 2004, 18(14), 1728–30
Center for Disease Control Hospital Infections Cost U.S. Billions of Dollars Annually 2000, Press Release
Spencer, R. C. Intensive Care Med. 1994, 20 Suppl. 4, S2–S6

Медь в больничных тканях: эффективность и перспективы

Исследования показали, что постельное белье, контактирующее с кожей пациента и его бактериальной флорой, является важным источником инфекции.
Использование самостерилизующихся тканей для пижам, простыней, наволочек и халатов в больницах может:

• снизить распространение микроорганизмов;

• сократить число внутрибольничных инфекций.

Coronel, D., Escarment, J., Boiron, A., Dusseau, J. Y., Renaud, F., Bret, M., Freney, J. Reanimation 2001, 10S, 43
Coronel, D., Boiron, A., Renaud, F. Reanimation 2000, 9S, 86

Медные носки и лечение диабетических язв стопы

Еще одно перспективное применение медных тканей связано с лечением диабетических язв стопы — распространённого осложнения диабета 1 и 2 типа, которым страдают около 130 миллионов человек в мире.

Такие язвы:

• часто инфицируются из-за медленного заживления;

• могут привести к гангрене и ампутации;

Носки с медными волокнами создают асептическую среду и снижают риск инфекций.

Предварительные клинические испытания уже подтвердили эту гипотезу.

International Diabetes Federation. Diabetes Atlas 2000

Противовирусная активность меди

В 1964 году Ямамото и коллеги сообщили об инактивации бактериофагов медью.

В 1971 году Джордан и Нассар показали, что медь инактивирует вирус инфекционного бронхита.

В 1974 году Тотсука и Отаки установили, что воздействие сульфата меди на РНК полиовируса пропорционально его концентрации.

В том же году Коулман и коллеги обнаружили чувствительность вируса простого герпеса (HSV) типа I к серебру

(Yamamoto et al., 2001; Jordan & Nassar, 1971; Totsuka & Otaki, 1974; Coleman et al., 1973)

В 1992 году Сагрипанти с коллегами выявили, что ионы Cu²⁺ и Fe³⁺ способны самостоятельно инактивировать пять вирусов — с оболочкой и без неё, с одно- или двуцепочечной ДНК или РНК. Металлы оказались даже эффективнее глутаральдегида.

Вируцидный эффект усиливался добавлением перекиси водорода, особенно для Cu²⁺. Во всех случаях вирусы были более устойчивы к комбинации железа с пероксидазой, чем к комбинации меди с пероксидазой при одинаковых концентрациях металлов. 

Инактивация HSV медью усиливалась восстановителями

(Sagripanti, 1992; Sagripanti et al., 1993)

Сагрипанти и Лайтфут сообщили, что вирус иммунодефицита человека (HIV-1) инактивируется ионами Cu²⁺ или Fe³⁺ как в свободном состоянии, так и через три часа после заражения клеток. Концентрации Cu²⁺ от 0,16 до 1,6 мМ и Fe³⁺ от 1,8 до 18 мМ обеспечивали 50% инактивацию свободного HIV-1.

Эти значения выше, чем для глутаральдегида (0,1 мМ), гипохлорита натрия (1,3 мМ) и гидроксида натрия (11,5 мМ), но значительно ниже, чем для этанола (360 мМ).

Обработка заражённых клеток 6 мМ Cu²⁺ или Fe³⁺ в течение 30 минут полностью подавляла образование синцитиев и синтез вирусного антигена p24, сохраняя при этом жизнеспособность клеток.

(Sagripanti & Lightfoote, 1996

Недавно были разработаны фильтры с медными волокнами, инактивирующие HIV-1 и вирус Западного Нила.

Эти фильтры снижали инфекционность обоих вирусов на 5–6 логарифмических порядков (99,9999%–99,999%)

(Borkow & Gabbay, 2004)

Вонг и др. наблюдали снижение инфекционности бактериофага R17 в 10⁶ раз из-за деградации РНК в присутствии аскорбата и Cu²⁺. Исследование 2001 года показало инактивацию полиовируса и бактериофага MS-2 в медных трубах с водопроводной водой благодаря синергизму меди и свободного хлора. Скорость инактивации MS-2 составляла:

• 0,385 логарифмических единиц в час при 0,4 мг/л меди;

• 7,605 — при 20 мг/л хлора;

• 10,906 — при их комбинации.

Это позволяет предположить, что окислитель (хлор или перекись водорода) необходим для разрушения белковой оболочки вируса, чтобы медь могла связаться с нуклеиновой кислотой и денатурировать её.

(Wong et al., 2001; Yahaya et al., 2001)

Международная ассоциация меди исследовала влияние меди на выживаемость водных вирусов. Полиовирус полностью инактивировался сульфатом меди (20 мг/л) в присутствии перекиси водорода (10 М), что подтвердило синергетический эффект меди с окислителями. Другие агенты, такие как дигидроортофосфат натрия, бычий сывороточный альбумин и каталаза, оказались менее эффективными.

Аналогично, медь снижала инфекционность:

• вирусов Коксаки типов B2 и B4;

• эховируса 4;

• ротавируса SA11;

более чем на 98%

Исследователи пришли к выводу, что механизм инактивации не зависит от специфических свойств поверхности вирусов, поскольку вирусы из разных семейств (например, полиовирусы и ротавирусы) инактивировались схожим образом.

(The International Copper Association, 2004)

В другом исследовании оценивалась эффективность ионов меди и серебра (0,7 мг/л Cu²⁺ и 0,07 мг/л Ag⁺) в сочетании с низкими дозами свободного хлора для инактивации:

• вируса гепатита A;

• ротавируса;

• аденовируса;

• полиовируса в воде.

Гепатит A и ротавирус практически не инактивировались при любых условиях.

Полиовирус показал снижение титра более чем на 4 логарифмических порядка (99,99%) при комбинации меди, серебра и 0,5 мг/л хлора или при 1 мг/л хлора отдельно. Аденовирус оставался активным дольше полиовируса после той же обработки, но значительно меньше, чем вирус гепатита A и ротавирус.

Добавление меди и серебра не усиливало инактивацию при 0,5 или 0,2 мг/л хлора, хотя в некоторых случаях эффект был сопоставим с более высокой дозой хлора.

Стоит отметить, что Агентство по охране окружающей среды США (EPA) установило предельно допустимую концентрацию меди в питьевой воде на уровне 1,3 мг/л.

(Abad et al., 1994; U.S. Department of Health and Human Services, 2004)