Эффективность действия различных антимикробных средств на микроорганизмы в первую очередь зависит от их способности нарушать проницаемость клеточной стенки и проникать внутрь клетки. Токсиколого-гигиенические аспекты действия полигексаметиленгуанидин гидрохлорида.

В настоящее время в литературе описано несколько тысяч химических соединений, обладающих биоцидными свойствами, однако на практике по соображениям безопасности используются лишь сотни из них. Ежегодно десятки биоцидных препаратов снимаются с производства по причине их низкой антимикробной активности либо высокой токсичности.

Кроме природной устойчивости некоторых микроорганизмов к биоцидным препаратам, микроорганизмы быстро адаптируются к неблагоприятным факторам, в том числе и к воздействию антимикробных средств. Этот феномен объясняется, в первую очередь, выживанием в условиях контакта с биоцидом наиболее устойчивых (резистентных) штаммов бактериальной популяции. В итоге, вследствие мутации, выживают клетки, имеющие измененный ген.

Описаны случаи размножения потенциально патогенных микроорганизмов в растворах, предназначенных для дезинфекции, адаптации к терапевтическим дозам антибиотиков и полирезистентности к десяткам антимикробных средств. Вследствие нерационального и не всегда аккуратного или неквалифицированного использования антибиотиков и дезинфицирующих средств число резистентных штаммов постоянно возрастает, а полирезистентные возбудители инфекционных заболеваний имеют тенденцию к распространению во внешней среде.

Так, в частности, в настоящее время отмечен рост числа критических публикаций, касающихся четвертичных аммонийных соединений (ЧАС). Авторы отмечают, что у одних видов микроорганизмов наблюдается естественная устойчивость к ЧАС, другие быстро ее приобретают, образуя биопленку, нейтрализующую активно действующие вещества. Кроме этого, отмечено отсутствие активности ЧАС в отношении возбудителей туберкулеза, пикорновирусов, псевдомонад, мукоидных штаммов стафилококков.

В связи с быстрой адаптацией микроорганизмов, возрастающих требований к экологической безопасности препаратов и их производством, их токсичностью и аллергенностью, существует постоянная необходимость поиска принципиально новых экологически безопасных биоцидных препаратов.

Наиболее актуальными направлениями при создании новых биоцидных средств являются не столько повышение их антимикробной активности (так как при этом, как правило, возрастает и их токсичность), а увеличение длительности их антимикробного действия после обработки поверхностей, снижение токсичности, аллергенности и экологическая безопасность. Большое значение имеет также широкий спектр биоцидного действия препаратов в отношении патогенной микрофлоры, доступность сырья для организации промышленного производства, технологичность, срок годности, приемлемые физико-химические, гигиенические и потребительские свойства.

Сравнение различных групп химических соединений (хлорсодержащие, перекисные соединения, альдегиды, фенолы и их производные, ЧАС, поверхностно активные вещества) по указанным критериям приводит к выводу, что наиболее перспективными и приемлемыми к употреблению являются ионогенные и амфолитные поверхностно активные вещества (ПАВ).

В Институте эколого-технологических проблем разработаны уникальные нетоксичные полимеры с широким спектром биоцидной активности — полиалкиленгуанидины (ПАГи), которые по своей химической природе относятся к высокомолекулярным катионным ПАВ. На их основе созданы новые средства дезинфекции, оригинальные препараты для защиты различных материалов от биоповреждений. Наиболее популярными и исследованными представителями ПАГов являются высокомолекулярные соли полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) - хлорид и фосфат (БИОПАГ и ФОСФОПАГ, соответственно).

ПАГи (полигуанидины) обладают широким спектром антимикробного, антивирусного, фунгицидного, пестицидного и алгицидного действия, низкой токсичностью и коррозийной активностью, длительно хранятся без потери бактерицидных свойств и, самое главное, обладают пролонгированным бактерицидным действием, поскольку образуют на обработанной поверхности тончайшую полимерную пленку, обеспечивающую длительную защиту поверхности от атаки микроорганизмов.

Высокую биоцидную активность этим полимерам придают полярные гуанидиновые группировки, губительно действующие на микроорганизмы и при этом совместимые с макроорганизмом, в котором имеются системы, осуществляющие метаболизм полимерного соединения. Благодаря полимерной природе, ПАГи по биоцидной активности эффективнее хлоргексидин биглюконата и других низкомолекулярных катионных ПАВ и при этом менее токсичны.

Известно, что антимикробное действие биоцидных препаратов зависит, в первую очередь, от их химического строения, а также строения клеток микроорганизмов. Первым барьером на пути взаимодействия микроорганизмов с антимикробными веществами являются клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана, которые обеспечивают осмотический барьер и избирательное проникновение веществ в клетку.

Клеточные стенки разных микроорганизмов имеют различное строение, благодаря чему избирательно взаимодействуют с различными антимикробными веществами и обладают неодинаковой устойчивостью к воздействию химических соединений разных классов. Так, для катионных ПАВ мишенями являются карбоксильные группы аминокислот и кислых полисахаридов бактерий, а для анионных ПАВ - кетонные группы белков, аминогруппы соответствующих углеводов и липидов, а также фосфатные группы тейхоевых кислот.

В естественных условиях микробные клетки обладают общим отрицательным зарядом, поэтому наиболее широкое практическое применение нашли катионные ПАВ, которые губительно действуют на грамположительные и грам¬отрицательные бактерии, дрожжевые и нитчатые грибы. Но в клетке также имеются молекулы, несущие положительные заряды, поэтому и анионные ПАВ губительно действуют на микроорганизмы, но при более высоких концентрациях.

Имеются также различия и в действии ПАВ на грамположительные и грамотрицательные микроорганизмы, а также на прокариотические и эукариотические клетки. Это связано с особенностями структурно-химической организации стенок и мембран клетки, а также ее цитоплазматического содержимого.

Следует учитывать, что микроорганизмы имеют весьма эффективные механизмы защиты от антимикробных средств, причем естественные различия в устойчивости различных микроорганизмов к антибактериальным средствам могут достигать сотен и даже тысяч раз.

Эффективность действия различных антимикробных средств на микроорганизмы в первую очередь зависит от их способности снижать проницаемость клеточной стенки и проникать внутрь клетки. В связи с этим большой интерес представляют препараты, увеличивающие пассивный транспорт и проницаемость мембран.

Сильное дестабилизирующее действие на мембраны клеток оказывают низкомолекулярные катионные ПАВ (цитилпиридиний хлорид, хлоргексидин, алкилдиметилбензиламмоний хлорид). Однако токсичность этих веществ не так низка, как хотелось бы. Это обстоятельство и отсутствие специфичности действия ограничивает применение низкомолекулярных катионных ПАВ. Высокомолекулярные мембраноактивные вещества менее токсичны и представляют большой практический интерес.

Проникнув внутрь клетки, биоцидные вещества взаимодействуют с различными функциональными группами ее содержимого в зависимости от своей химической природы, нарушая процессы метаболизма и образования клеточных структур. Приведем несколько известных примеров. Действие биоцидов может заключаться в ингибировании ферментов (фтористый натрий, фенилгидразин и др.). Ингибирование даже одного какого-либо фермента, участвующего в важном метаболическом процессе, приостанавливает весь процесс, а иногда может оказаться смертельным для организма.

Катионы тяжелых металлов оказывают токсическое действие на микробные клетки, реагируя с различными функциональными группами белков, что приводит к нарушению их структурной организации и функционирования.

Механизм антимикробного действия оловоорганических соединений в основном сводится к ингибирующему воздействию на транспорт электронов в процессе окислительного фосфорилирования. ЧАСы в основном вызывают денатурацию белка и нарушают целостность клеточных мембран.

Хлорорганические соединения, фенолы и хиноны обладают токсическим эффектом вследствие их влияния на процессы дыхания. Фенолы способны также образовывать нерастворимые комплексные соединения с полисахаридами клеточной стенки, нарушая ее свойст¬ва. Хиноны, взаимодействуя с клеточными метаболитами, блокируют их и выключают из обменных процессов.

В настоящее время механизм действия ПАГов на микроорганизмы представляют следующим образом:

гуанидиновые поликатионы адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактериальной клетки, блокируя тем самым дыхание, питание, транспорт метаболитов через клеточную стенку бактерий (этот эффект зависит от величины ионного заряда поликатиона);

макромолекулы ПАГа дифундируют через стенку клетки, вызывая необратимые структурные повреждения на уровне цитоплазматической мембраны, нуклеотида, цитоплазмы (этот процесс зависит от величины поверхностной активности, липофильности, растворимости в воде, молекулярного объема дифундирующей частицы);

ПАГи связываются с кислотными фосфолипидами, белками цитоплазматической мембраны, что приводит к ее разрыву (этот эффект зависит от концентрации и молекулярной массы антисептика);

результатом этого является блокада гликолитических ферментов дыхательной системы, потеря патогенных свойств и гибель микробной клетки.

Постановка вопроса о широком использовании полигуанидинов в практике потребовала их детальной токсикологической и санитарно­гигиенической оценки, необходимой для обоснования допустимого уровня их остаточных количеств на обработанных препаратом поверхностях, в воде и пищевых продуктах.

Результаты экспериментов показали, что интенсивность интоксикации зависит от химической структуры препарата, от способа и дозы поступления в организм, а также от времени воздействия препарата на организм животного (острое, подострое или хроническое воздействие).

Полигуанидины нерастворимы в жирах, но хорошо растворимы в воде. Экспериментально установлено, что ПАГи могут всасываться через неповрежденные кожные покровы, однако, в силу низкой величины коэффициента распределения масло/вода и большой молекулярной массы, скорость трансэпидермальной, трансфоликулярной, трансгландулярной пенетрации этих соединений невелика и составляет 1,5 мкг/см2 час (для низкомолекулярного хлоргексидина она значительно выше — 10,3 мкг/см2 час).

Скорость всасывания полигуанидинов тем выше, чем больше доза нанесенного на кожу препарата, но в любом случае транскутантная резорбция препарата происходит, в основном, в первые 5-30 минут контакта: высыхая на поверхности кожи, полигуанидины образуют полимерную пленку, которая препятствует дальнейшему поступлению антисептика в организм через кожу.

С гигиенической точки зрения важно, что все изученные полигуанидины в дозе менее 50 мг/кг при накожном нанесении в хроническом эксперименте являются безвредными для организма. В этих условиях полигуанидины не способны нарушать развитие и функции половых клеток, семенников и яичников, нарушать эстральный цикл, оказывать неблагоприятное воздействие на эмбриогенез, вызывать мутации в соматических и половых клетках, индуцировать образование опухолей.

При введении ПАГов в желудок проявленные патогенетические реакции, включающие нарушение биологических мембран, приводят к одинаковому нарушению механизмов регуляции метаболических процессов у микро­ и макроорганизмов. Однако в финале у микроорганизмов происходит блокада ферментов дыхательной системы, потеря патогенных свойств и гибель; у макроорганизмов наблюдается только нарушение обменных процессов, ведущее к развитию анемии.

Наибольшую опасность для макроорганизма представляет гемолитический эффект, являющийся результатом мембранотоксического действия ПАГов. Экспериментально этот эффект обнаружен только на уровне высоких доз препаратов при их внутрижелудочном введении в условиях хронического воздействия.

В реальных же условиях применения полигуанидинов гемолитический эффект не представляет какой-либо угрозы макроорганизму, так как безопасные для него, но губительные для микроорганизмов дозы препаратов находятся значительно ниже уровня, на котором могут наблюдаться признаки развития анемии.

Расчетная величина фактора надежной безопасности (CSF=LD50/ED100) для ПАГов в среднем составляет 3667 (во столько раз полигуанидины токсичнее для патогенной микрофлоры, чем для животных и человека).

Установлено, что антимикробная активность и токсическое действие полигуанидинов определяются не только дозой и временем воздействия препарата, но в значительной степени зависят от структуры полимера, в первую очередь от химической природы аниона. Так, например, по действию на кишечную палочку изученные соли ПГМГ различаются в 120 раз.

Все изученные ПАГи в дозе менее 50 мг/кг при накожном нанесении в хроническом эксперименте являются безвредными для организма человека.

Следует отметить, что полигуанидины являются нормально биоразлагаемыми веществами: в живом организме имеются ферментные системы, способные вызывать их деградацию, предотвращая кумуляцию препарата.

Установлено, что первой стадией метаболизма ПГМГ-хлорида (торговые названия: препарат антимикробный "БИОПАГ", дезинфицирующее средство "БИОПАГ-Д"), или ПГМГ-фосфата (торговое название "ФОСФОПАГ") в живом организме является замена хлоридного или фосфатного иона на анион глюконата (т. е. образование одного из наименее токсичных представителей ПАГов). В дальнейшем протекает гидролиз гуанидиновых группировок с превращением их в мочевинные группировки, а также деструкция полимерной цепи.

Для различных изученных солей ПГМГ и различных групп животных экспериментально установлено, что среднесмертельная доза при поступления в организм через кожу (LD50 per cut) составляет 8900-15500 мг/кг, при поступлении через желудок (LD50 per os) – 815-3200 мг/кг.

Для полигуанидинов установлены и другие показатели, необходимые для обоснования гигиенических нормативов при поступлении этих препаратов в организм через кожные покровы и желудок. В соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 все известные препараты отнесены к IV классу малоопасных соединений при поступлении в организм через кожу и к III классу умеренно опасных веществ при поступлении в желудок.

Поступление полигуанидинов в макроорганизм возможно при использовании их растворов для дезинфекции, а также при их использовании для обеззараживания питьевой воды или воды плавательных бассейнов.

Для водоемов существенным моментом является то, что полигуанидины эффективно сорбируется различными компонентами загрязнения воды (взвешенными веществами, коллоидными частицами, нефтепродуктами, анионными ПАВ, молекулами красителей и т.п.), как правило, имеющими анионную природу. Вследствие этого ПАГи быстро удаляются из воды, переходя в донную фазу, где под воздействием активного ила существенно ускоряются процессы его биодеструкции.

При испытании полигуанидинов по стандартной методике оценки биоразлагаемости флокулянтов установлено, что препарат разлагается на 80% за один проход через слой активного ила.

Из всего сказанного становиться ясно, что полигуанидины являются весьма перспективными для практического использования биоцидными препаратами, способными удовлетворить потребности в новых дезинфицирующих средствах и биоцидных материалах.