Коллектив красноярских исследователей из Сибирского федерального университета, Красноярского научного центра СО РАН и Красноярского центра сердечно-сосудистой хирургии ведет работы по созданию «идеальных» стентов из биополимеров. Ученым удалось подобрать такой состав материала, при контакте с которым у клеток крови не наблюдается негативных эффектов. Биоразлагаемые и биосовместимые изделия должны существенно облегчить лечение атеросклероза. Масштабное исследование поддержано Российским научным фондом.
Красноярские ученые ведут долгосрочные исследования природных полимеров с уникальным комплексом свойств. Эти конструкционные материалы обладают биосовместимостью и биоразрушаемостью, что открывает практически безграничные перспективы для практических применений, в том числе в регенеративной медицине. Изделия из этих материалов способны сохранять форму, которую им придают исследователи, то есть из них можно изготавливать различные сложные имплантаты и объемные изделия для тканевой инженерии.
Биоразлагаемые полимеры получают путем микробиологического биосинтеза — процесса, в ходе которого специфические бактерии накапливают вещество внутри своих клеток. Для биосинтеза полимеров у бактерий есть специальный фермент, который и соединяет отдельные органические молекулы в длинные цепочки. Эти резервные макромолекулы синтезируются бактериями, когда они растут в неоптимальных условиях, например, когда им не хватает питательных веществ.
В рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, красноярские ученые приступили к разработке индивидуальных покрытий для сосудистых стентов. Их используют для избавления пациентов от стенокардии и после инфарктов миокарда. Задача возникла в ответ на ряд медицинских проблем при традиционном стентировании сосудов. При установке стента, который изготавливают путем филигранной лазерной нарезки тончайших, до двух миллиметров в диаметре, стальных трубочек, существует риск повторного сужения сосуда в том же месте, из-за того, что инородное тело раздражает сосуд.
На самом деле необходимость в существовании стента в сердце непродолжительна, примерно две-три недели. При стентировании разрушается атеросклеротическая липидная бляшка – нарост, который суживал сосуд и вызывал дискомфорт и боли. Стент выступает в роли распорки, которая препятствует ставшему привычным сжатию и обеспечивает стабильный кровоток. Реакция устраняется за две-три недели, после чего распорка уже не нужна.
Однако удалить «вросший» стент нельзя — он стал частью сосуда и мешает формированию «здорового» внутреннего слоя клеток. Металлическое инородное тело становится причиной хронического воспаления и развития повторных, часто стремительных, атеросклеротических изменений. Сосуд в этом месте делается менее прочным, чем здоровый, стенка – более хрупкой, что может быть причиной разрыва, то есть сосудистой катастрофы.
Неудивительно, что в мире ведутся разработки временных стентов из разрушаемых материалов – полимеров или металлов. В качестве биоразрушаемого металла используется магний и сплавы на его основе. Биосовместимость таких материалов низкая. В отличие от этого биополимеры красноярских ученых не отторгаются живыми тканями. Более того, изменяя структуру полимера при его биосинтезе, исследователи могут регулировать «срок жизни» изделия в организме, его гибкость и упругость, и рельеф поверхности.
При разработке имплантируемых в живую ткань биоинженерных конструкций нужно учитывать, что их поверхность влияет на активность клеток ткани. Это связано с передачей механического усилия, приложенного к поверхности клетки, в биохимические реакции внутри клетки. Клетка в составе ткани или органа находится в состоянии уравновешенного с разных сторон сжатия-растяжения. С одной стороны, снаружи её растягивают соседние клетки и внешние компоненты тканей — элементы внеклеточного матрикса. С другой, изнутри на нее действуют силы, образующиеся при взаимодействии внутренних структур клетки с мембраной.
В ответ на изменение внешних физических параметров клетка может изменять свою форму, функциональное состояние и даже специализацию. Это значит, что, разработав внешний клеточный каркас, обладающий определенными параметрами, ученые могут заставить ее измениться в нужную сторону. Например, в случае атеросклероза «запретить» повторно образовываться атеросклеротическим бляшкам, «приказывая» внутреннему слою клеток сосудистой стенки формировать прочный клеточный слой.
В настоящий момент красноярские ученые изучают механические и химические взаимодействия между биополимерами разного состава и клетками крови пациентов, у которых имеются атеросклеротические бляшки в сосудах сердца. Кровь для исследований предоставляет Красноярский кардиологический центр, где ее берут у пациентов, которым планируют установить стенты. В лабораторных условиях клетки из крови больных начинают накапливать липиды из-за того, что их доноры страдают атеросклерозом, то есть метаболизм липидов у них «испорчен». Задача ученых – изучить характер взаимодействия клеток с различными материалами, и, в перспективе, с помощью биоразлагаемого покрытия добиться «выключения» негативных реакций.
«В развитии атеросклероза огромное значение играют образ жизни, диета, и, к сожалению, наследственность, на которую пока мы повлиять не можем. Если бы люди, которые имеют это заболевание, смогли увидеть, как это видим мы, как их клетки набиваются жировыми капельками и фактически гибнут, превращаясь в неподвижных и ни к чему не способных «инвалидов», они бы очень быстро начали следовать рекомендациям докторов. Ведь их советы довольно просты — не употреблять в пищу жирное и соленое, и побольше двигаться», — делится своими эмоциями руководитель работ, доктор биологических наук, заведующая кафедрой медицинской биологии Сибирского федерального университета, главный научный сотрудник Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН Екатерина Шишацкая.
Помимо видимого накопления липидов – мелких плотных капель, наполняющих цитоплазму, атеросклеротические клетки после контакта с биополимером выраженно меняют форму и продукцию характерных для заболевания молекул, таких как простагландины и лейкотриены. Ученые обнаружили, что реакция клеток на полимерные пленки разного состава отличается. В перспективе это открывает возможности для управления их состоянием.
«Наша задача довести исследование до такой стадии, когда для человека, страдающего атеросклерозом конкретной стадии и имеющего определенные сдвиги в гомеостазе, можно будет рекомендовать состав материала для покрытия биоразрушаемого стента. «Идеальный» материал позволит пораженным сосудам сердца заживать без следа того, что в них когда-то были бляшки. Впоследствии этот материал можно будет использовать для производства всего стента целиком, и даже для более сложных имплантатов, например, фрагментов сосудов, клапанов и целого сердца», — поясняет Екатерина Шишацкая.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение