Біоінженерія пробіотичних гідрогелевих плівок з високою антимікробною активністю

  • О.В. Труфанов Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України https://orcid.org/0000-0002-3978-3335
  • Г.Є. Ананьїна Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України https://orcid.org/0000-0003-2065-3159
  • Н.А. Труфанова Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України https://orcid.org/0000-0002-8718-7490
  • В.П. Марценюк Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України https://orcid.org/0009-0009-9420-0487
  • А.С. Щоголєв Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України https://orcid.org/0000-0002-6563-1415
Ключові слова: пробіотики; альгінатний гідрогель; іммобілізація; in-situ культивування; антагоністична активність

Анотація

Зростання антимікробної резистентності значно ускладнює лікування інфікованих ран, що зумовлює необхідність пошуку нових терапевтичних підходів. Одним із перспективних напрямів є застосування пробіотиків, ефективність яких залежить від доставки високої концентрації життєздатних мікроорганізмів безпосередньо в зону ураження. Альгінатні гідрогелі є ефективними носіями, проте свіжовиготовлені пробіотичні плівки часто не забезпечують миттєвої антимікробної дії. Метою роботи було дослідити вплив періоду культивування після іммобілізації на життєздатність та антагоністичну активність штамів Bifidobacterium bifidum LVA-3 та Lactobacillus bulgaricus 1Z 03501, іммобілізованих в альгінатно-кальцієвих плівках. Гіпотеза полягала в тому, що цей етап культивування слугує in-situ біоактивацією, яка підвищує терапевтичну ефективність плівок. Пробіотичні штами іммобілізували в альгінатно-кальцієвих плівках і культивували у поживному середовищі протягом 2, 4 або 6 діб при 37 °C. Життєздатність визначали методом висіву після розчинення плівок. Антагоністичну активність оцінювали методом дифузії в агарі щодо патогенних тест-штамів (Staphylococcus aureus 209, Pseudomonas aeruginosa 9027 та Escherichia coli B) за діаметром зон інгібування. Результати проведеного дослідження показали, що плівки без культивування (0-й день) не мали антагоністичної активності. Культивування після іммобілізації сприяло значному підвищенню життєздатності обох штамів — зростання чисельності клітин у 100–500 разів уже через 2 доби до рівнів, достатніх для терапевтичного ефекту (>10¹⁰ КУО/мл). B. bifidum LVA-3 характеризувався швидким ростом з піком на 2-й день, тоді як L. bulgaricus 1Z 03501 підтримував стабільну високу чисельність до 6-го дня. Зростання щільності клітин напряму корелювало з посиленням антагоністичної активності щодо всіх патогенів. Підсумовуючи можна зазначити, що культивування після іммобілізації є ключовим етапом in-situ біоактивації, що трансформує альгінатні плівки з пробіотиками з пасивних носіїв у функціонально активні біоматеріали. Такий підхід дозволяє досягти високої життєздатності пробіотиків та забезпечує утворення антимікробних сполук безпосередньо в плівці. Запропонована двоетапна стратегія має потенціал для створення високоефективних пробіотичних засобів, зокрема біоактивних ранових покриттів.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Біографії авторів

О.В. Труфанов, Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України

вул. Переяславська, буд. 23, Харків, Україна, 61016, olegtrufanov2015@gmail.com

Г.Є. Ананьїна, Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України

вул. Переяславська, буд. 23, Харків, Україна, 61016, anelana51@gmail.com

Н.А. Труфанова, Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України

вул. Переяславська, буд. 23, Харків, Україна, 61016, natalia_trufanova@cryonas.org.ua

В.П. Марценюк, Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України

вул. Переяславська, буд. 23, Харків, Україна, 61016, martsenyuk@ukr.net

А.С. Щоголєв, Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України

вул. Переяславська, буд. 23, Харків, Україна, 61016

Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, майдан Свободи, 4, Харків, Україна, 61022, a.s.schogolev@karazin.ua

Посилання

Abourehab, M. A. S., Rajendran, R. R., Singh, A., Kesharwani, P., Raza, K., Pramanik, S. (2022). Alginate as a promising biopolymer in drug delivery and wound healing: A review of the state-of-the-art. International Journal of Molecular Sciences, 23(16), 9035. https://doi.org/10.3390/ijms23169035

Abdul, M. M. (2025). Progress in probiotic science: Prospects of functional probiotic-based foods and beverages. International Journal of Food Science, 2025, 5567567. https://doi.org/10.1155/ijfo/5567567

Adegbeye, M. J., Adetuyi, B. O., Igirigi, A. I., Adisa, A., Palangi, V., Aiyedun, S., Alvarado-Ramírez, E. R., Elghandour, M. M. M. Y., Molina, O. M., Oladipo, A. A., Salem, A. Z. M. (2024). Comprehensive insights into antibiotic residues in livestock products: Distribution, factors, challenges, opportunities, and implications for food safety and public health. Food Control, 163, 110545. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2024.110545

Alberts, A., Tudorache, D. I., Niculescu, A. G., Grumezescu, A. M., Ciocan, A. I. (2025). Advancements in wound dressing materials: Highlighting recent progress in hydrogels, foams, and antimicrobial dressings. Gels, 11(2), 123. https://doi.org/10.3390/gels11020123

Almuhayawi, M. S., Alruhaili, M. H., Gattan, H. S., Al Jaouni, S. K., Selim, S., AbdElgawad, H.,
Al-Hoshani, N. A. (2023). Staphylococcus aureus induced wound infections which antimicrobial resistance, methicillin- and vancomycin-resistant: Assessment of emergence and cross sectional study. Infection and Drug Resistance, 16, 5335–5346. https://doi.org/10.2147/IDR.S418681

Aslam, B., Wang, W., Arshad, M. I., Khurshid, M., Muzammil, S., Rasool, M. H., Nisar, M. A., Alvi, R. F., Aslam, M. A., Qamar, M. U., Salamat, M. K. F., Baloch, Z. (2018). Antibiotic resistance: A rundown of a global crisis. Infection and Drug Resistance, 11, 1645–1658. https://doi.org/10.2147/IDR.S173867

Babenko, L. P., Tymoshok, N. O., Safronova, L. A., Demchenko, O. M., Zaitseva, G. M., Lazarenko, L. M., Spivak, M. J. (2022). Antimicrobial and therapeutic effect of probiotics in cases of experimental purulent wounds. Biosystems Diversity, 30(1), 22–30. https://doi.org/10.15421/012203

Bădăluță, V. A., Curuțiu, C., Dițu, L. M., Chifiriuc, M. C., Lazar, V., Bolocan, A. (2024). Probiotics in wound healing. International Journal of Molecular Sciences, 25(11), 5723. https://doi.org/10.3390/ijms25115723

Byk, P. L., Kryvorchuk, I. H., Leshchyshyn, I. M., Andrusyshyna, I. M., Kobza, I. I., Datsko, T. V., Kozovyi, V. B., Yarema, V. V., Martynyuk, R. S., Savchuk, T. I. (2024). Epidemiology and antibiotic resistance of combat wound infection in surgical patients. Ukrainian Journal of Cardiovascular Surgery, 32(2), 129–140. https://doi.org/10.30702/ujcvs/24.32(02)/BK019-129140

Dai, J., Luo, W., Hu, F., Yu, K., Zhu, H., Pan, L., Zeng, H., Huang, Q., Liu, S. (2024). In vitro inhibition of Pseudomonas aeruginosa PAO1 biofilm formation by DZ2002 through regulation of extracellular DNA and alginate production. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 13, 1333773. https://doi.org/10.3389/fcimb.2023.1333773

Diep, E., Schiffman, J. D. (2024). Living antimicrobial wound dressings: Using probiotic-loaded, alginate nanofibers for protection against methicillin-resistant Staphylococcus aureus. ACS Applied Bio Materials, 7(2), 787–790. https://doi.org/10.1021/acsabm.3c01240

Dueñas, M. T., López, P. (2022). Functional analysis of lactic acid bacteria and bifidobacteria and their effects on human health. Foods, 11(15), 2293. https://doi.org/10.3390/foods11152293
Eiselt, P., Yeh, J., Latvala, R.K., Shea, L.D., Mooney, D.J. (2000). Porous carriers for biomedical applications based on alginate hydrogels. Biomaterials, 21(19), 1921-1927. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(00)00033-8

Goo, E., Hwang, I. (2024). Control of bacterial quorum threshold for metabolic homeostasis and cooperativity. Microbiology Spectrum, 12(1), e0335323. https://doi.org/10.1128/spectrum.03353-23

Gul, S., Durante-Mangoni, E. (2024). Unraveling the puzzle: Health benefits of probiotics—A comprehensive review. Journal of Clinical Medicine, 13(5), 1436. https://doi.org/10.3390/jcm13051436

Huang, Y., Zhang, L., Hu, J., Guo, Y., Liu, R., Dong, L., Wang, Z., Xiao, Y. (2023). Improved loading capacity and viability of probiotics encapsulated in alginate hydrogel beads by in situ cultivation method. Foods, 12(11), 2256. https://doi.org/10.3390/foods12112256

Ilyas, F., James, A., Khan, S., Ahmed, F., Naveed, R., Zaheer, R., Javed, M., Shahid, A., Riaz, H. (2024). Multidrug-resistant pathogens in wound infections: A systematic review. Cureus, 16(4), e58760. https://doi.org/10.7759/cureus.58760

Ismael, M., Huang, M., Zhong, Q. (2024). The bacteriocins produced by lactic acid bacteria and the promising applications in promoting gastrointestinal health. Foods, 13(23), 3887. https://doi.org/10.3390/foods13233887

Jafari, Z., Bardania, H., Barmak, M. J., Moradi, M., Kianbakht, S., Mozaffari-Khosravi, H. (2024). Antimicrobial, anti-inflammatory, and wound healing properties of Myrtus communis leaf methanolic extract ointment on burn wound infection induced by methicillin-resistant Staphylococcus aureus in rats. BioMed Research International, 2024, 6758817. https://doi.org/10.1155/2024/6758817

Ji, J., Li, T., Ma, B., Chen, H., Qu, C., Zhang, Y., Chen, X., Song, J. (2025). A Bifidobacterium strain with antibacterial activity, its antibacterial characteristics and in vitro probiotics studies. Microorganisms, 13(6), 1190. https://doi.org/10.3390/microorganisms13061190

Karachevtsev, V. A., Plokhotnichenko, A. M., Trufanov, O. V., Shevchenko, V. V., Leontiev, V. S. (2025). Levofloxacin loaded PMMA:PVP blended nanofiber mat as an antibacterial material. Materials Research Express, 12(7), 075403. https://doi.org/10.1088/2053-1591/adec42

Kessler, E. (2024). The secreted aminopeptidase of Pseudomonas aeruginosa (PaAP). International Journal of Molecular Sciences, 25(15), 8444. https://doi.org/10.3390/ijms25158444

Kong, C., Chen, S., Ge, W., Zhang, H., Su, Y., Li, B., Qian, Y., Zhang, Y. (2022). Riclin-capped silver nanoparticles as an antibacterial and anti-inflammatory wound dressing. International Journal of Nanomedicine, 17, 2629–2641. https://doi.org/10.2147/IJN.S366899

Kundukad, B., Rice, S. A., Doyle, P. S., Yang, L. (2025). Alginate exopolymer significantly modulates the viscoelastic properties and resilience of bacterial biofilms. NPJ Biofilms and Microbiomes, 11(1), 98. https://doi.org/10.1038/s41522-025-00718-6

Landa, G., Clarhaut, J., Buyck, J., Mendoza, G., Arruebo, M., Tewes, F. (2024). Impact of mixed Staphylococcus aureus-Pseudomonas aeruginosa biofilm on susceptibility to antimicrobial treatments in a 3D in vitro model. Scientific Reports, 14, 27877. https://doi.org/10.1038/s41598-024-79573-y

Li, X., Maaß, S., Ferrero-Bordera, B., Graumann, J., Moche, M., Völker, U., Bröker, B. M. (2025). The secreted proteases aur, scpA, sspA and sspB suppress the virulence of Staphylococcus aureus USA300 by shaping the extracellular proteome. Virulence, 16(1), 2514790. https://doi.org/10.1080/21505594.2025.2514790

Lou, J., Xiang, Z., Zhu, X., Wang, L., Wang, Z., Ouyang, Y., Yin, H., Feng, J., Zhang, M., Jiang, J. (2025). Evaluating the therapeutic efficacy and safety of alginate-based dressings in burn wound and donor site wound management associated with burn surgery: A systematic review and meta-analysis of contemporary randomized controlled trials. BMC Surgery, 25(1), 215. https://doi.org/10.1186/s12893-025-02956-z

Mazziotta, C., Tognon, M., Martini, F., Torreggiani, E., Rotondo, J. C. (2023). Probiotics mechanism of action on immune cells and beneficial effects on human health. Cells, 12(1), 184. https://doi.org/10.3390/cells12010184

Molujin, A. M., Abbasiliasi, S., Nurdin, A., Alhassan, M. H., Lee, P. C., Gansau, J. A., Jawan, R. (2022). Bacteriocins as potential therapeutic approaches in the treatment of various cancers: A review of in vitro studies. Cancers, 14(19), 4758. https://doi.org/10.3390/cancers14194758

Phan, S., Feng, C. H., Huang, R., Lee, N., Edgar, R. C., Armstrong, D. G. (2023). Relative abundance and detection of Pseudomonas aeruginosa from chronic wound infections globally. Microorganisms, 11(5), 1210. https://doi.org/10.3390/microorganisms11051210

Picó-Monllor, J. A., Sala-Segura, E., Tobares, R. A., Mingot-Ascencao, J. M. (2023). Influence and selection of probiotics on depressive disorders in occupational health: Scoping review. Nutrients, 15(16), 3551. https://doi.org/10.3390/nu15163551

Safronova, L., Pylypiuk, Y., Skorochod, I., Trufanov, O., Kryzhanovska, A. (2024). Probiotics and their potential for the prevention and treatment of infections. Mikrobiolohichnyi Zhurnal, 86(6), 74–91. https://ojs.microbiolj.org.ua/index.php/mj/article/view/220

Simons, A., Alhanout, K., Duval, R. E. (2020). Bacteriocins, antimicrobial peptides from bacterial origin: Overview of their biology and their impact against multidrug-resistant bacteria. Microorganisms, 8(5), 639. https://doi.org/10.3390/microorganisms8050639

Singh, B., Metha, S., Asare-Amoah, J., Satyanarayana, S., Bansal, S., Singh, A. (2024). Biofilm-associated multidrug resistant bacteria among burn wound infections: A cross-sectional study. Mediterranean Journal of Infection, Microbes and Antimicrobials, 13(1), 15. https://doi.org/10.4274/mjima.galenos.2024.24179.15

Sirchak, Y., Nastych, M. (2022). Immunological disorders and colonic dysbiosis in patients with biliary lesions in type 2 diabetes mellitus and obesity. Gastroenterology, 55(4), 229–234. https://doi.org/10.22141/2308-2097.55.4.2021.247913

Sun, Q., Yin, S., He, Y., Cao, Y., Shan, S., Shan, C., Liu, J. (2023). Biomaterials and encapsulation techniques for probiotics: Current status and future prospects in biomedical applications. Nanomaterials, 13(15), 2185. https://doi.org/10.3390/nano13152185

Taha, S. R., Datau, F., Rokhayati, U. A., Unggango, Y. (2024). Detection of antibiotic residues in beef and beef liver in Gorontalo City. TERNAK TROPIKA Journal of Tropical Animal Production, 25(2), 131–140. https://doi.org/10.21776/ub.jtapro.2024.025.02.4

Tang, T. C., Tham, E., Liu, X., Yehl, K., Rovner, A. J., Yuk, H., de la Fuente-Nunez, C., Isaacs, F. J., Zhao, X., Lu, T. K. (2021). Hydrogel-based biocontainment of bacteria for continuous sensing and computation. Nature Chemical Biology, 17(6), 724–731. https://doi.org/10.1038/s41589-021-00779-6

Thiemicke, A., Neuert, G. (2023). Rate thresholds in cell signaling have functional and phenotypic consequences in non-linear time-dependent environments. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 11, 1124874. https://doi.org/10.3389/fcell.2023.1124874

Trufanov, O., Martsenyuk, V., Stepanyuk, L. (2025). Viability and immobilization efficiency of probiotic Lactobacillus bulgaricus strain in alginate films. OneHealthJournal, 3(III), 48–55. https://doi.org/10.31073/onehealthjournal2025-III-03

V, A. L., Mohammed, A. K., Malaisamy, A., Vellingiri, V., Kumar, A. D., Prabhu, D., Sivanesan, S. (2021). Bacteriocin producing microbes with bactericidal activity against multidrug resistant pathogens. Journal of Infection and Public Health, 14(12), 1802–1809. https://doi.org/10.1016/j.jiph.2021.09.029

Vestweber, P. K., Wächter, J., Planz, V., Mertens, A., Fetzner, S., Ostermeier, A. M., Hensel, M. (2024). The interplay of Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus in dual-species biofilms impacts development, antibiotic resistance and virulence of biofilms in in vitro wound infection models. PLoS ONE, 19(5), e0304491. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0304491

Wang, X., Wang, H., Zhang, J., Xu, L., Wang, J., Li, Y., Yang, Y., Zhang, Y. (2025). Morphological variability of Escherichia coli colonizing human wounds: A case report. BMC Infectious Diseases, 25(1), 440. https://doi.org/10.1186/s12879-025-10484-7

Xiao, Y., Zhao, J., Zhang, H., Chen, W., Zhai, Q. (2021). Mining genome traits that determine the different gut colonization potential of Lactobacillus and Bifidobacterium species. Microbial Genomics, 7(6), 000581. https://doi.org/10.1099/mgen.0.000581

Yakovychuk, N. D., Dejneka, S. Y., Sydorchuk, L. I., Rotar, D. V., Sydorchuk, I. Y., Popovych, V. B. (2017). Microbiological reasoning of the formation and development of vulvovaginal candidiasis. Zaporozhye Medical Journal, 4, 505–510. https://doi.org/10.14739/2310-1210.2017.4.105097

Zhang, M., Li, W., Yin, L., Chen, Z., Liu, Y., Guo, X., Tang, L., Chen, H. (2025). Multifunctional double-network hydrogel with antibacterial and anti-inflammatory synergistic effects contributes to wound healing of bacterial infection. International Journal of Biological Macromolecules, 271(Pt 2), 132672. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.132672
Опубліковано
2025-12-26
Цитовано
Як цитувати
Труфанов, О., Ананьїна, Г., Труфанова, Н., Марценюк, В., & Щоголєв, А. (2025). Біоінженерія пробіотичних гідрогелевих плівок з високою антимікробною активністю. Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Серія «Біологія», 45, 52-62. https://doi.org/10.26565/2075-5457-2025-45-5
Розділ
МІКРОБІОЛОГІЯ