Регенеративная медицина – одно из самых перспективных направлений с точки зрения коммерциализации науки. Речь идет о восстановлении поврежденных тканей при помощи субмикронных волокон и процессах их обновления. Собственно, все подходы к регенерации заключаются либо в ее активации, либо торможении – вплоть до замены целых органов. Научный сотрудник МФТИ Андрей Хоменко рассказал об исследованиях в сфере регенеративной медицины и о том, как можно создать искусственный сосуд.
Хоменко начинает с простого: «Органы и ткани – это клетки на каком-либо каркасе. Каркасы бывают совершенно разные в зависимости от ткани, но они необходимы - выполняют опорную функцию. Просто плавать в жидкой среде клеткам "плохо". А чтобы клеткам было хорошо - не важно, будет это будущая искусственная кожа, почки или печень, мы должны сделать для них эти каркасы. Они называются клеточными матриксами. Технологий производства клеточных матриксов на сегодняшний день довольно много».
К примеру, в качестве «квартиры» для клеток учеными используется некая пористая структура, в которой размер поры приблизительно соответствует размерам клеток. По словам Хоменко, такая структура может быть биоразлагаемой – со временем клетки уничтожат «съедобный» каркас и образуют свой.
Хорошо на роль биодеградируемого материала для клеточных матриксов подходят биополимеры - как искусственного (синтезируемые), так и природного происхождения. Следующий этап – из бруска либо гранул биополимера нужно изготовить подходящий каркас. Один из методов, позволяющих сделать это, называется электроспиннинг. Применяя эту технологию, получают готовый каркас, состоящий из микро- и нановолокон полимера. В зависимости от подложки (плоская или цилиндрическая) полученный матрикс найдет свое применение как каркас для искусственной кожи или кровеносного сосуда.
Функции и свойства каркаса неразрывно связаны с будущим органом, который на этом каркасе планируется вырастить. Для некоторых цилиндрических искусственных органов помимо общих требований необходимо соблюсти еще одно – каркас должен содержать кольцевые небиодеградируемые вставки, обеспечивающие механическую прочность. Например, того требует искусственная трахея – новый проект НБИК-центра Курчатовского института, Лаборатории регенеративной медицины МФТИ и иностранных коллег.
«Сейчас мы активно работаем над созданием матриц для выращивания искусственных сосудов и трахей, - Хоменко рассказывает, в чем суть совместного проекта. – В организме человека очень много образований, которые имеют полую, цилиндрическую форму. Иногда их нужно заменить из-за какой-то болезни. Что для этого надо? Во-первых, нужно изготовить каркас - полую цилиндрическую трубку из биополимера. Электроспиннингом эта матрица получается очень легко. Достаточно плоскую подложку, которая используется для предварительных опытов, заменяем на барабан, диаметр которого соответствует диаметру сосуда, и начинаем пылить на него полимерное волокно, одновременно его вращая. Потом только вынимаем барабан и у нас получается трубка - готовый каркас».
Сама технология относительно простая. Для нее не требуется дорогостоящего оборудования, но очень важно подобрать параметры эксперимента. Естественно, что электроспиннинг – не панацея и не универсальная технология. Например, каркасы для искусственных органов, таких как печень или почки, вообще очень тяжело получить электроспиннингом – они объемные. Здесь лучше подойдут губки, или биопринтирование. А вот стенки сосуды тонкие, их сделать проще.
Электроспиннинг – это вытягивание волокон из раствора или расплава полимера при помощи приложения высокого постоянного напряжения. Технологии уже более 70-ти лет. Советский Союз был пионером в изобретении такого метода получения нановолокна. Поначалу электроспиннинг использовали не в биотехнологиях, а применяли для изготовления фильтров, особенно для атомной промышленности. Хороший пример – респиратор «Лепесток», с помощью которого ликвидировали последствия аварии на Чернобыльской АЭС. В СССР все работы по электроспиннингу были засекречены, и только ближе к 80-ым годам пришло понимание того, что по этой технологии можно сделать клеточный матрикс или каркас для искусственного органа и ткани. Но потом Советский Союз развалился, и эти работы были заморожены на долгий срок.
«Второе открытие электроспиннинг пережил в 90-х годах в Америке. Профессор Darrell Reneker заново переоткрыл метод. Он ничего не знал про советские разработки, начал с нуля и понял большой потенциал технологии. Он также начинал с небиодеградируемых крупнотоннажных полимеров, а затем перешел на биодеградируемые», - уточняет Андрей.
Процесс вытягивания волокон выглядит примерно следующим образом: есть прибор, с виду напоминающий обычный медицинский шприц, с тонкой иглой. Только вместо лекарства, он наполнен раствором полимера. Растворитель для каждого полимера свой. К примеру, для сахара плохим растворителем является спирт, а хорошим - вода.
«Мы работаем со многими биополимерами, - продолжает Хоменко. – Допустим, если это хитозан, то растворителем для него будет концентрированный уксус: 90% уксусной кислоты и 10% воды. Мы туда добавляем полимер, перемешиваем и получаем однородный, гомогенный раствор, который заливаем в устройство подачи – шприц, и начинаем прясть».
Раствор выдавливается на металлическую подложку под очень высоким напряжением – десятки киловольт. Один контакт батареи подключается к шприцу, а другой - к пластине. В основе всего метода простой физический постулат – одноименные электрические заряды друг от друга отталкиваются, а разноименные притягиваются. Такое огромное напряжение нужно для создания значительной силы расталкивания. За счет нее струйка и начинает растягиваться, увеличиваться в длине. А в диаметре, соответственно, уменьшаться. Если правильно подобрать все условия, то в полете весь растворитель успеет испариться и останется только нить из полимера, на подложку упадет сухое волокно.
«Диаметр волокна может варьироваться от 10 до 1000 нанометров, то есть до одного микрометра. А скорость волокнообразования (сколько волокна упадет за единицу времени на поверхность) сумасшедшая, достигает нескольких километров в секунду. За счет многократных переплетений и межволоконного взаимодействия получается хороший нетканый материал», - рассказывает Хоменко. Понятная аналогия для нетканого волокна – вата или салфетка, которые тоже состоят из спутанных, многочисленных волокон.
После повторного открытия элетроспиннинга американскими коллегами, российские ученые расширили область применения технологии - была создана регенеративная ткань из нанофибры, в ходе испытаний показавшая положительные результаты. В Саратовском государственном университете имени Н.Г. Чернышевского из субмикронных волокон хитозана получили материал, больше известный, как «вторая кожа». Нетканое волокно и изготовленные из него пластыри обладают антибактериальными и ранозаживляющими свойствами. «Вторая кожа» самостоятельно рассасывается по мере заживления раны и быстро останавливает кровотечения. На вид она похожа на хлопчатобумажную ткань, хотя на ощупь гораздо нежнее.
Испытания показали, что на 14-день ожог 3-й степени практически вылечивается, если наложить на него синтетическую кожу. Ученые СГУ планируют завершить испытания к лету 2012 года, значит, в продаже разработка появиться не раньше 2013 года.
