Введение

Препарат, используемый для уничтожения микроорганизмов или прекращения их роста.

Антимикробный препарат – это средство, которое убивает микроорганизмы (микробный препарат) или останавливает их рост (бактериостатическое средство). Антимикробные препараты можно группировать в зависимости от микроорганизмов, против которых они действуют преимущественно. Например, антибиотики используются против бактерий, а противогрибковые – против грибков. Их также можно классифицировать в соответствии с их функцией. Использование антимикробных препаратов для лечения инфекции называется антимикробной химиотерапией, а использование антимикробных препаратов для профилактики инфекции – антимикробной профилактикой. Основными классами антимикробных средств являются дезинфицирующие средства (неселективные средства, такие как отбеливатель), которые убивают широкий спектр микробов на неживых поверхностях для предотвращения распространения заболеваний, антисептики (которые применяются к живым тканям и помогают снизить риск инфекции во время хирургических вмешательств) и антибиотики (которые уничтожают микроорганизмы в организме). Изначально термин «антибиотик» использовался только для обозначения препаратов, полученных из живых микроорганизмов, но теперь он также применяется к синтетическим веществам, таким как сульфаниламиды или фторхинолоны. Хотя ранее этот термин ограничивался антибактериальными препаратами (и часто используется как синоним к ним медицинскими работниками и в медицинской литературе), его значение расширилось и теперь включает в себя все антимикробные препараты. Антибактериальные средства можно разделить на бактерицидные средства, которые убивают бактерии, и бактериостатические средства, которые замедляют или останавливают рост бактерий. В ответ на это дальнейшие разработки в области антимикробных технологий привели к созданию решений, которые способны не только ингибировать рост микробов, но и превосходить это. В частности, были разработаны определенные типы пористых материалов, которые убивают микробы при контакте. Чрезмерное или неправильное использование антимикробных препаратов может привести к развитию антимикробной устойчивости.

История

Антимикробные препараты используются на протяжении как минимум 2000 лет. Древние египтяне и древние греки применяли определенные виды плесени и растительные экстракты для лечения инфекций. В XIX веке микробиологи, такие как Луи Пастер и Жюль Франсуа Жубер, наблюдали антагонизм между некоторыми бактериями и обсуждали целесообразность контроля этих взаимодействий в медицине. Работа Луи Пастера в области ферментации и опровержения теории самозарождения привела к разграничению анаэробных и аэробных бактерий. Информация, полученная Пастером, побудила Джозефа Листера внедрить антисептические методы, такие как стерилизация хирургических инструментов и некрэктомия ран, в хирургические процедуры. Внедрение этих антисептических техник значительно снизило количество инфекций и последующих смертей, связанных с хирургическими вмешательствами. Работа Луи Пастера в микробиологии также способствовала разработке многих вакцин против опасных для жизни заболеваний, таких как сибирская язва и бешенство. 3 сентября 1928 года Александр Флеминг вернулся из отпуска и обнаружил, что чашка Петри, содержащая стафилококки, была разделена на колонии из-за противомикробного грибка *Penicillium rubens*. Флеминг и его коллеги испытывали трудности с выделением противомикробного вещества, но в 1929 году упомянули о его терапевтическом потенциале в "Британском журнале экспериментальной патологии". В 1942 году Говард Флори, Эрнст Чейн и Эдвард Абрахам использовали работы Флеминга для очистки и выделения пенициллина для медицинского применения, за что они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1945 году.

Антибактериальные препараты

Антибактериальные препараты используются для лечения бактериальных инфекций. Антибиотики обычно классифицируются как бета-лактамы, макролиды, хинолоны, тетрациклины или аминогликозиды. Их классификация внутри этих категорий зависит от их антимикробного спектра, фармакодинамики и химического состава. Длительное применение определенных антибактериальных препаратов может снизить количество энтеральных бактерий, что может негативно сказаться на здоровье. Употребление пробиотиков и сбалансированное питание могут помочь восстановить разрушенную микрофлору кишечника. Трансплантация фекальной микробиоты может рассматриваться для пациентов, испытывающих трудности с восстановлением после продолжительного лечения антибиотиками, например, при рецидивирующих инфекциях, вызванных Clostridioides difficile. Открытие, разработка и применение антибактериальных препаратов в XX веке привели к снижению смертности от бактериальных инфекций. Эра антибиотиков началась с терапевтического использования сульфаниламидных препаратов в 1936 году, за которым последовал «золотой» период открытий примерно с 1945 по 1970 год, когда было обнаружено и разработано множество структурно разнообразных и высокоэффективных препаратов. С 1980 года внедрение новых противомикробных средств для клинического применения сократилось, отчасти из-за огромных затрат на разработку и тестирование новых лекарств. Параллельно наблюдается тревожный рост антимикробной устойчивости бактерий, грибков, паразитов и некоторых вирусов к существующим препаратам. Антибактериальные препараты – одни из наиболее часто используемых лекарственных средств, а также одни из тех, которые врачи часто назначают необоснованно, например, при вирусных инфекциях дыхательных путей. В результате широкого и нерационального использования антибактериальных препаратов ускорилось появление патогенных микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам, что представляет серьезную угрозу для глобального общественного здравоохранения. Проблема устойчивости требует активизации усилий по поиску антибактериальных средств, эффективных против патогенных бактерий, устойчивых к современным антибактериальным препаратам. Возможные стратегии для достижения этой цели включают расширение выборки из различных сред и применение метагеномики для выявления биоактивных соединений, продуцируемых в настоящее время неизвестными и некультивируемыми микроорганизмами, а также разработку библиотек малых молекул, адаптированных к бактериальным мишеням.

Противогрибковые

Антигрибковые препараты используются для уничтожения или предотвращения дальнейшего роста грибков. В медицине они применяются для лечения таких инфекций, как стопа атлета, лишай и кандидоз, и действуют, используя различия между клетками млекопитающих и грибковых клеток. В отличие от бактерий, и грибы, и люди являются эукариотами. Таким образом, клетки грибков и человека схожи на молекулярном уровне, что затрудняет поиск мишени для антигрибкового препарата, отсутствующей в организме хозяина. Следовательно, некоторые из этих препаратов часто вызывают побочные эффекты. Некоторые из этих побочных эффектов могут быть опасными для жизни при неправильном использовании препарата. Помимо применения в медицине, антигрибковые средства часто используются для борьбы с плесенью во влажных строительных материалах в домах. Бикарбонат натрия (пищевая сода), распыляемый на поверхности, обладает противогрибковым действием. Другим противогрибковым раствором, применяемым после обработки содой или без нее, является смесь перекиси водорода и тонкого поверхностного покрытия, которое нейтрализует плесень и инкапсулирует поверхность, предотвращая распространение спор. Некоторые краски также изготавливаются с добавлением антигрибкового агента для использования в помещениях с высокой влажностью, таких как ванные комнаты или кухни. Другие антигрибковые составы для обработки поверхностей обычно содержат соединения металлов, известных своим подавляющим действием на рост плесени, например пигменты или растворы, содержащие медь, серебро или цинк. Эти растворы обычно недоступны широкой публике из-за их токсичности.

Антивирусные препараты

Антивирусные препараты – это класс лекарственных средств, используемых специально для лечения вирусных инфекций. Подобно антибиотикам, конкретные противовирусные препараты применяются для лечения конкретных вирусов. Их следует отличать от вируцидов, которые активно деактивируют вирусные частицы за пределами организма. Многие антивирусные препараты разработаны для лечения инфекций, вызываемых ретровирусами, включая ВИЧ. Важными антиретровирусными препаратами являются ингибиторы протеазы. Вирусы герпеса, наиболее известные как возбудители простудных язв и генитального герпеса, обычно лечатся нуклеозидным аналогом ацикловира. Вирусный гепатит вызывается пятью не связанными между собой гепатотропными вирусами (A–E) и может лечиться антивирусными препаратами в зависимости от типа инфекции. Некоторые вирусы гриппа A и B приобрели устойчивость к ингибиторам нейраминидазы, таким как озельтамивир, и продолжаются поиски новых веществ.

Противопаразитарные средства

Антипаразитарные препараты – это класс лекарственных средств, применяемых для лечения инфекционных заболеваний, таких как лейшманиоз, малярия и болезнь Шагаса, вызываемых паразитами, включая нематод, цестод, трематод и инфекционные простейшие. К антипаразитарным препаратам относятся метронидазол, йодохинол и альбендазол.

Широкоспектровая терапия

Широкоспектральные терапевтические средства эффективны против множества классов патогенов. Такие средства рассматриваются как потенциальное экстренное лечение пандемий.

Нефармацевтические

В качестве противомикробных средств используется широкий спектр химических и природных соединений. Органические кислоты и их соли широко применяются в пищевой промышленности, например, молочная, лимонная и уксусная кислоты, как в качестве ингредиентов, так и дезинфицирующих средств. Например, туши говядины часто обрабатывают распылением кислот, а затем промывают или пропаривают для снижения распространенности Escherichia coli. Катионы тяжелых металлов, такие как Hg2+ и Pb2+, обладают противомикробной активностью, но могут быть токсичными. В последние годы изучается противомикробная активность координационных соединений. Традиционные целители использовали растения для лечения инфекционных заболеваний. Многие из этих растений были научно исследованы на предмет противомикробной активности, и некоторые растительные продукты показали способность подавлять рост патогенных микроорганизмов. Ряд этих веществ имеет структуру и механизмы действия, отличные от используемых в настоящее время антибиотиков, что позволяет предположить минимальную вероятность перекрестной устойчивости к уже применяемым препаратам.

Медь

Поверхности из медных сплавов обладают естественными антимикробными свойствами и способны уничтожать микроорганизмы, такие как E. coli и Staphylococcus. Агентство по охране окружающей среды США одобрило регистрацию антимикробных поверхностей из медного сплава для использования в дополнение к регулярной уборке и дезинфекции с целью контроля инфекций. В некоторых медицинских учреждениях и системах общественного транспорта, включая метро, устанавливаются антимикробные медные сплавы в качестве меры общественной гигиены.

Эфирные масла

Многие эфирные масла, включенные в растительные фармакопеи, заявляются как обладающие антимикробной активностью, при этом масла лавра, корицы, гвоздики и тимьяна, согласно исследованиям с бактериальными патогенами, передающимися с пищей, считаются наиболее эффективными. Кокосовое масло также известно своими антимикробными свойствами. Активные компоненты включают терпеноиды и вторичные метаболиты. Несмотря на широкое использование в альтернативной медицине, эфирные масла нашли ограниченное применение в традиционной медицине. Хотя 25–50% фармацевтических соединений имеют растительное происхождение, ни одно из них не используется в качестве антимикробного средства, хотя в этом направлении наблюдается рост исследований. Препятствиями для более широкого использования в традиционной медицине являются недостаточный надзор и контроль качества, неправильно маркированная или идентифицированная продукция, а также ограниченные способы введения.

Пестициды против микробов

Согласно Агентству по охране окружающей среды США (EPA) и определено Федеральным законом об инсектицидах, фунгицидах и родентицидах, противомикробные пестициды используются для контроля роста микробов посредством дезинфекции, санитарной обработки или подавления их развития, а также для защиты неживых объектов, промышленных процессов или систем, поверхностей, воды или других химических веществ от загрязнения, обрастания или разрушения, вызванного бактериями, вирусами, грибками, простейшими, водорослями или слизью. EPA контролирует продукты, такие как дезинфицирующие и санитарные средства для использования в больницах или домах, чтобы оценить их эффективность. В эту систему мониторинга входят продукты, предназначенные для охраны здоровья населения, включая продукты, используемые для питьевой воды, бассейнов, санитарии пищевых продуктов и других поверхностей в окружающей среде. Регистрация этих пестицидов осуществляется на основании того, что при правильном использовании они не представляют необоснованной опасности для человека или окружающей среды. Даже после выхода определенных продуктов на рынок, EPA продолжает их мониторинг и оценку, чтобы убедиться в сохранении их эффективности в защите общественного здоровья. Продукты для охраны здоровья, регулируемые EPA, подразделяются на три категории. Такие организации, как Всемирная организация здравоохранения, призывают к значительному сокращению их использования во всем мире для борьбы с этой проблемой. Согласно отчету Центров по контролю и профилактике заболеваний за 2010 год, медицинские работники могут предпринять шаги для повышения своей безопасности при работе с противомикробными пестицидами. Работникам рекомендуется минимизировать воздействие этих веществ, используя средства индивидуальной защиты, такие как перчатки и защитные очки. Кроме того, важно строго соблюдать инструкции по обращению, поскольку именно так EPA признает их безопасными для использования. Сотрудники должны быть проинформированы об опасностях для здоровья и поощряться к обращению за медицинской помощью в случае воздействия.

Озон

Озон способен уничтожать микроорганизмы в воздухе, воде и технологическом оборудовании и применяется в таких областях, как вентиляция кухонных вытяжек, мусоросборные помещения, жироуловители, биогазовые установки, очистные сооружения сточных вод, текстильное производство, пивоваренные заводы, молочные предприятия, производство продуктов питания и средств гигиены, фармацевтическая промышленность, предприятия по розливу напитков, зоопарки, системы централизованного водоснабжения, бассейны и спа, а также для стирки белья и устранения плесени и неприятных запахов в помещениях.

Антимикробные скрабы

Антимикробные медицинские костюмы могут уменьшить накопление запахов и пятен на костюмах, что, в свою очередь, увеличивает срок их службы. Эти костюмы также доступны в различных цветах и стилях. Поскольку антимикробные технологии развиваются быстрыми темпами, такие костюмы легко приобрести, и каждый год на рынок выходят более совершенные модели. Эти бактерии могут распространяться на офисные столы, комнаты отдыха, компьютеры и другое общее оборудование. Это может привести к вспышкам и инфекциям, таким как MRSA, лечение которых обходится системе здравоохранения в 20 миллиардов долларов в год.

Галогены

Такие элементы, как хлор, йод, фтор и бром, неметалличны по своей природе и составляют семейство галогенов. Каждый из этих галогенов обладает различным антимикробным действием, на которое влияют такие факторы, как pH, температура, время контакта и тип микроорганизма. Хлор и йод – два наиболее часто используемых антимикробных средства. Хлор широко применяется в качестве дезинфицирующего средства на водоочистных станциях, в фармацевтической и пищевой промышленности. На очистных сооружениях хлор также широко используется для дезинфекции. Он окисляет растворимые загрязнения и уничтожает бактерии и вирусы, а также высокоэффективен против бактериальных спор. Механизм действия заключается в разрыве связей в этих микроорганизмах. Когда бактериальный фермент контактирует с соединением, содержащим хлор, атом водорода в этой молекуле замещается атомом хлора, что изменяет функцию фермента и приводит к гибели бактерии. Йод чаще всего используется для стерилизации и обработки ран. Три основных антимикробных соединения, содержащих йод, – это спиртовой раствор йода, водный раствор йода и йодофоры. Йодофоры обладают большей бактерицидной активностью и используются в качестве антисептиков, поскольку они менее раздражают кожу. Бактериальные споры не уничтожаются йодом, но их рост может быть подавлен йодофорами. Рост микроорганизмов ингибируется, когда йод проникает в клетки и окисляет белки, генетический материал и жирные кислоты. Бром также является эффективным антимикробным средством, используемым на водоочистных станциях. В смеси с хлором он особенно эффективен против бактериальных спор, таких как S. faecalis.

Алкоголи

Алкоголи обычно используются в качестве дезинфицирующих и антисептических средств. Алкоголи убивают вегетативные бактерии, большинство вирусов и грибы. Этиловый спирт, н-пропанол и изопропиловый спирт – наиболее часто используемые противомикробные средства. Метанол также является дезинфицирующим средством, но обычно не используется из-за высокой токсичности. Escherichia coli, Salmonella и Staphylococcus aureus – лишь некоторые из бактерий, рост которых может быть подавлен алкоголями. Алкоголи обладают высокой эффективностью против вирусoв с оболочкой (60–70% этиловый спирт). 70% изопропиловый спирт или этанол являются высокоэффективными противомикробными агентами. В присутствии воды 70% алкоголь вызывает коагуляцию белков, тем самым подавляя рост микроорганизмов. Алкоголи недостаточно эффективны в отношении спор. Механизм действия заключается в денатурации белков. Алкоголи нарушают водородные связи в структуре белков. Алкоголи также растворяют липидные мембраны микроорганизмов. Разрушение клеточной мембраны – еще одно свойство алкоголей, способствующее гибели клеток. Алкоголи – это недорогие и эффективные противомикробные средства, широко используемые в фармацевтической промышленности. Алкоголи обычно применяются в антисептиках для рук, антисептиках и дезинфицирующих средствах.

Фенолы и фенолные соединения

Фенол, также известный как карболовая кислота, был одним из первых химических веществ, использовавшихся в качестве противомикробного средства. Он обладает выраженными антисептическими свойствами. Он оказывает бактериостатическое действие при концентрациях 0,1–1% и бактерицидное/фунгицидное – при 1–2%. Пятипроцентный раствор убивает споры сибирской язвы за 48 часов. Фенолы наиболее часто используются в ополаскивателях для полости рта и бытовых чистящих средствах. Они активны в отношении широкого спектра бактерий, грибков и вирусов. В настоящее время производные фенола, такие как тимол и крезол, используются из-за их меньшей токсичности по сравнению с фенолом. Эти фенольные соединения содержат бензольное кольцо и гидроксильную группу (-OH) в своей структуре. Они обладают более высокой антимикробной активностью. Эти соединения подавляют рост микроорганизмов, вызывая осаждение белков, что приводит к их денатурации, а также проникая в клеточную мембрану микроорганизмов и нарушая ее целостность. Фенольные соединения также способны деактивировать ферменты и повреждать аминокислоты в клетках микроорганизмов. Фенолики, такие как фентихлор – антибактериальный и противогрибковый препарат – применяются для перорального лечения грибковых инфекций. Триклозан высокоэффективен как против грамположительных, так и против грамотрицательных бактерий. Гексахлорофен (бисфенол) используется в качестве поверхностно-активного вещества. Благодаря своим антисептическим свойствам он широко применяется в мылах, средствах для мытья рук и средствах по уходу за кожей. Он также используется в качестве стерилизующего средства. Крезол является эффективным противомикробным средством и широко используется в ополаскивателях для полости рта и леденцах от кашля. Фенолики обладают высокой антимикробной активностью против бактерий, таких как Staphylococcus epidermidis и Pseudomonas aeruginosa. Водные растворы 2-фенилфенола используются для обработки фруктов погружением перед упаковкой (при этом упаковочные материалы не обрабатываются). Исследования Ихлоффа и Калицки (1961) показали наличие небольшого, но измеримого количества остатков на кожуре фруктов, обработанных таким способом.

Алдегиды

Они высокоэффективны против бактерий, грибков и вирусов. Алдегиды подавляют рост бактерий, нарушая структуру внешней мембраны. Они применяются для дезинфекции и стерилизации хирургических инструментов. Ввиду высокой токсичности они не используются в качестве антисептиков. В настоящее время только три альдегидных соединения получили широкое практическое применение в качестве дезинфицирующих биоцидов, а именно глутаральдегид, формальдегид и ортофталальдегид (OPA), несмотря на то, что было показано, что многие другие альдегиды обладают хорошей антимикробной активностью. Однако, из-за длительного времени воздействия, другие дезинфицирующие средства зачастую предпочтительнее.

Тепло

У микроорганизмов есть минимальная, оптимальная и максимальная температура для роста. Высокие и низкие температуры используются как физические методы контроля. Различные организмы проявляют разную степень устойчивости или чувствительности к теплу или температуре: некоторые организмы, такие как бактериальные эндоспоры, более устойчивы, в то время как вегетативные клетки менее устойчивы и легко погибают при более низких температурах. Другой метод уничтожения микроорганизмов с использованием тепла – фракционная стерилизация. Этот процесс заключается в многократном воздействии температурой 100 градусов Цельсия в течение часа в течение нескольких дней. Фракционная стерилизация также называется тиндализацией. С помощью этого метода можно уничтожить бактериальные эндоспоры. Как сухой, так и влажный нагрев эффективны для уничтожения микроорганизмов. Например, банки, используемые для хранения консервов, таких как варенье, можно стерилизовать, нагревая их в обычной духовке. Тепло также используется в пастеризации – методе замедления порчи продуктов, таких как молоко, сыр, соки, вина и уксус. Эти продукты нагревают до определенной температуры на определенное время, что значительно снижает количество вредных микроорганизмов. Низкая температура также используется для подавления микробной активности путем замедления микробного метаболизма.

Излучение

Для уничтожения вредных патогенов продукты питания часто подвергают облучению. Существуют два типа излучения, используемых для подавления роста микроорганизмов – ионизирующее и неионизирующее. Распространенные источники излучения, применяемые для стерилизации пищевых продуктов, включают кобальт-60 (гамма-излучатель), электронные лучи и рентгеновские лучи. Ультрафиолетовый свет также используется для дезинфекции питьевой воды как в небольших системах для индивидуального использования, так и в крупных системах очистки воды для населенных пунктов.

Осушение

Осушение также известно как обезвоживание. Это состояние крайней сухости или процесс сильного высушивания. Некоторые микроорганизмы, такие как бактерии, дрожжи и плесень, нуждаются в воде для роста. Осушение снижает содержание воды, тем самым подавляя рост микроорганизмов. При возобновлении доступа к воде бактерии возобновляют рост, поэтому осушение не полностью останавливает рост бактерий. Прибор, используемый для проведения этого процесса, называется десикатор. Этот процесс широко применяется в пищевой промышленности и является эффективным методом сохранения продуктов питания. Осушение также широко используется в фармацевтической промышленности для хранения вакцин и других препаратов.

Антимикробные поверхности

Антимикробные поверхности разработаны для подавления способности микроорганизмов к росту или для их уничтожения посредством химических (например, токсичности меди) или физических процессов (микро- и наноструктур, разрушающих клеточные стенки). Эти поверхности особенно важны для сферы здравоохранения. Разработка эффективных антимикробных поверхностей требует глубокого понимания механизмов начальной адгезии микробов к поверхности. Для исследования этих механизмов обычно применяют моделирование молекулярной динамики и визуализацию в реальном времени.

Осмотическое давление

Осмотическое давление — это давление, необходимое для предотвращения прохождения растворителя из области высокой концентрации в область низкой концентрации через полупроницаемую мембрану. Если концентрация растворенных веществ внутри клетки выше, чем снаружи, то говорят, что клетка находится в гипотонической среде, и вода будет поступать в клетку.