Президентская программа
исследовательских проектов

Для пользы тела. Тканевая инженерия верно служит медицине

Источник: research.spbstu.ru

Помните изображение витрувианского человека Леонардо да Винчи? На своих лекциях в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого заведующий лабораторией «Полимерные материалы для тканевой инженерии и трансплантологии» профессор Владимир Юдин показывает студентам похожую картинку: силуэт человека, только он напичкан всевозможными имплантатами. Шовные нити, костные пластины, искусственные сухожилия, сердечный клапан, хрусталик глаза, коленные чашечки, позвоночные диски из металла и сплавов, керамики, полимеров – настоящий киборг! Вся эта начинка призвана заменить изношенные или поврежденные части тела, не причинив организму ущерб. Создание таких биодублеров – задача, безусловно, творческая (речь-то идет о сотворении человека), а значит, амбициозная. Не случайно, что вдохновленные лектором студенты приходят к нему в лабораторию, где их ждет погружение в научную среду, с экспериментами на современном оборудовании и возможностью проверить результаты in vivo, на подопытных животных. При этом вуз разрешает студентам проводить в лаборатории два, а на старших курсах и три дня в неделю, обретая и закрепляя навыки обращения с полимерными материалами и клеточными структурами – элементами тканевой инженерии.

Сам В.Юдин признается, что довольно долго присматривался к этой тематике, искал возможности плавного перехода от волокнистых композиционных материалов, которым были посвящены его кандидатская и докторская диссертации, защищенные в Институте высокомолекулярных соединений РАН, к биополимерам и композитам на их основе, значимым для медицинской практики. Сохраняя преимущества металлов и керамики, они могут обладать такими столь ценными качествами, как биосовместимость и резорбируемость (разлагаемость в организме под влиянием биологически активной среды). Последнее, например, чрезвычайно важно для шовных нитей.

Впрочем, была и веская личная причина повернуться в сторону медицины: члены семьи ученого – старшая сестра, племянница, дочка, зять – врачи. Так что эффективность различных биоматериалов обсуждается не только на лабораторных семинарах, но и в семейном кругу.

Особенно увлекла В.Юдина перспектива формировать из биоразлагаемых полимеров тканеинженерные конструкции, или скаффолды (от английского scaffold – «каркас», «шаблон») для имплантации в живую ткань. Скаффолд – полимерная матрица с выращенными на ней клетками. Ее внедрение в организм решает ряд проблем, в т. ч. этического свойства: уже не требуются донорские органы, снижается вероятность осложнений, вызванных аутоиммунной реакцией на трансплантат. Инжиниринг тканевых конструкций немыслим без глубокого знания физики и химии, цитологии, биофизики и медицины, и все эти дисциплины преподают в Политехническом. Потому и возник гармоничный альянс с университетом, приведший весной 2014 года к созданию на средства гранта РНФ лаборатории «Полимерные материалы для тканевой инженерии и трансплантологии». Сначала она была в составе кафедры медицинской физики, а ныне логично вписалась в Высшую школу биомедицинских систем и технологий СПбПУ.

В.Юдин с сотрудниками преуспели в наполнении скаффолдов волокнами, пленками, пористыми губками. И доказали, что эти одно-, двух-, трехмерные матрицы – прообразы нервной, мышечной, костной ткани и сосудов – могут успешно приживаться в организме именно за счет биосовместимости. Так, для замещения фрагмента кровеносного сосуда обычно используются трубки из фторсодержащих полимеров, инертные по отношению к тканям сосудов и компонентам крови. Однако места контакта подобных материалов с живой тканью уязвимы. В лаборатории были разработаны трубчатые образцы из резорбируемых полимерных нановолокон, которые формируют стенки сосуда. В ходе доклинических испытаний их имплантировали в брюшную аорту крысы, где они замещались соединительной тканью и эндотелием, предохраняющими от тромбозов. Вновь образованные стенки трубок содержат капилляры и нервную ткань, необходимые для нормального функционирования кровеносного сосуда.

Благодаря гранту РНФ в структуре лаборатории был сформирован «клеточный кластер», что позволяет сотрудникам непосредственно на месте, а не на стороне заниматься не только полимерными матрицами, но и заселением их клетками, стволовыми или соматическими, проверять полученные материалы на клеточную совместимость и далее применять в качестве имплантатов органов либо их частей. Развитие этого направления было бы невозможно без новейшего оборудования, также приобретенного на средства гранта РНФ, и тесного взаимодействия с научными и медицинскими учреждениями Санкт-Петербурга. В их числе – Институт цитологии РАН, Медицинский университет им И.П.Павлова, НМИЦ травматологии и ортопедии им. Р.Р.Вредена. Наконец, появилась возможность оплачивать кропотливые, длиной в полтора-два года эксперименты на животных.

Для создания матриц с прогнозируемым сроком резорбции (он не должен быть ни кратким, ни слишком протяженным) был выбран, в частности, хитозан. Это родственник хитина, распространенного в природе полисахарида. Он отличается биосовместимостью, бактерицидными свойствами, отсутствием токсичности и аллергенности. На его основе в лаборатории ведутся разработки раневых покрытий, противоожоговых препаратов, систем доставки лекарств, костных имплантатов, хирургических шовных нитей, кровоостанавливающих материалов. Продукты резорбции полимера безопасны для организма, более того, способствуют регенерации окружающих тканей. Параллельно получены прочные и эластичные нанокомпозитные пленки из хитозана, не уступающие экологичным упаковочным материалам.

– Но главное, – подчеркивает профессор В.Юдин, – благодаря гранту РНФ удалось объединить в рамках одной лаборатории опыт специалистов академической науки с энтузиазмом и творческим потенциалом молодежи. Студентам и аспирантам интересно и престижно работать на современной технике, публиковаться в рейтинговых журналах, посещать международные конференции. Они получают неплохую надбавку к стипендии, так что могут целиком отдаться работе в лаборатории, а вполсилы в науке успеха не добьешься.

Творить бы и радоваться, но по мере завершения проекта, а с ним и финансирования, сотрудникам становилось все тревожнее: что дальше? К счастью, исследования набрали ход, и Фонд решил их поддержать, продлив действие гранта и, соответственно, жизнь лаборатории еще на два года. А в 2019 году она уже в статусе лаборатории мирового уровня получила четырехлетний грант РНФ на реализацию проекта «Электропроводящие полимерные материалы для тканевой инженерии», ставший для нее поистине мостом в будущее.

Теперь на лекциях и лабораторных семинарах В.Юдин непременно делает акцент на значении электропроводящих материалов для лечения и повышения качества жизни людей с хроническими заболеваниями. Электроды, зонды и другие девайсы, имплантируемые в тот или иной орган, регулируют его функции, информируют о состоянии пациента. В них, как правило, используют коррозионностойкие платину и иридий. Помимо опасности механических травм и биологической несовместимости с тканями организма возникает нестыковка иного рода: металлы – проводники электронного типа, а в биологических объектах ток переносится ионами. Как следствие на интерфейсе металл-биообъект повышается сопротивление, возможны нежелательные электрохимические реакции с образованием токсичных соединений.

Электропроводящие полимеры – проводники смешанного типа: ионного и электронного; по механическим свойствам они также гораздо ближе к биообъектам, чем металлы. В зависимости от назначения можно придавать им плотную либо пористую структуру, менять сорбционные свойства, вводить в их состав биологически активные вещества для стимуляции роста поврежденных тканей. Накопленный в лаборатории опыт по формованию волокон, в том числе композиционных, содержащих наночастицы хитина, компонентов костной ткани, углеродные нанотрубки, стал базой для исследований и разработок в рамках нового проекта.

Актуальную помощь медицине тканевая инженерия может оказать при регенерации периферических нервов, утраченных или поврежденных вследствие травм, нейродегенеративных заболеваний типа Альцгеймера и Паркинсона, знакомых многим радикулитов. Для этого в лаборатории придумали и применяют специальные трубки из электропроводящих полимерных волокон – кондуиты. Суть метода в том, что концы разорванного нерва помещают с противоположных сторон в кондуит. Его электропроводность позволяет передавать импульсы от одного конца поврежденного нерва к другому, постепенно сближать их и соединять. При этом кондуит, как футляр, изолирует разорванные концы от окружающей биологической среды, предотвращая проникновение инородных по отношению к проводникам нервных импульсов (аксонам) других клеток, препятствующих процессу иннервации. Еще один важный нюанс – пористые стенки кондуитов способствуют обменным процессам, в частности, диффузии ионов кальция, калия и магния, аминокислот, необходимых для эффективного направленного роста нервной ткани. В итоге формируется утраченный фрагмент ткани, по структуре и свойствам идентичный ткани реципиента, а кондуит благополучно разлагается. Такие эксперименты сейчас проводятся на подопытных животных совместно с кафедрой нейрохирургии ВМА им. С.М.Кирова.

Не менее актуальная задача проекта – разработка принципиально нового класса раневых покрытий: достаточно эластичных для того, чтобы воспроизводить рельеф поверхности раны, способных обеспечить ее изоляцию от внешней бактериальной среды, и атравматичных – при снятии повязки не должна нарушаться структура образовавшегося клеточного слоя. Мало того, эта повязка благодаря собственным поверхностным зарядам и приложению внешнего электрического поля позволит стимулировать процесс заживления раны. Судя по обзорам патентной литературы, такие материалы будут разработаны впервые в мире. Эксперименты по их испытанию на подопытных животных уже ведутся совместно с Педиатрическим медицинским университетом и Детским ортопедическим институтом им. Г.И.Турнера.

Но и это не все: исследуются возможности применения электропроводящих полимеров и композитов для регуляции поведения клеток, чувствительных к электрическим сигналам. Кроме традиционно считавшихся таковыми (нервные, мышечные, клетки миокарда) это клетки костной и соединительной тканей, кожных покровов, роговицы. Воздействуя на них с помощью электропроводящих конструкций и внешних электрических сигналов, можно восстанавливать целостность и функциональность тканей организма, стимулировать процессы их регенерации.
В этом направлении также достигнут заметный прогресс. Получен широкий спектр электропроводящих материалов. Проведена оптимизация их свойств (помимо механических и электрических биосовместимость и адекватная биологическая активность при взаимодействии с культурами клеток). Разработан и сконструирован оригинальный дизайн ячейки для электростимуляции клеток на поверхности полимерных матриц. Предстоит исследовать влияние различных режимов электростимуляции на поведение и жизнедеятельность соматических, стволовых и раковых культур клеток, а также на подавление роста бактерий.

Решить эти задачи помогает присущий тканевой инженерии междисциплинарный подход, недаром в состав лаборатории входят биологи, медики, физики, химики, материаловеды. Тон задает, как вновь отмечает В.Юдин, молодежь. Тем более что по условиям гранта ее должно быть не менее 40% от общей численности коллектива. Каждый студент и аспирант, а их в лаборатории 15 из 25 сотрудников, ведет персональную разработку. У аспиранта Всеволода Матреничева это серия электропроводящих полимерных материалов на основе нановолокон, которые сейчас проходят испытания на совместимость с клеточными культурами. У аспиранта Константина Малафеева – биорезорбируемые шовные нити с улучшенными антибактериальными и физико-механическими свойствами. У аспиранта Антона Шабунина – гибридное полимерное покрытие для лечения полнослойных дефектов кожных покровов, в том числе после сложных термических ожогов.

В результатах исследований лаборатории весьма заинтересован индустриальный партнер проекта компания ООО «Новотех», которая совместно с фондом «Сколково» планирует заняться разработкой биорезорбируемых хирургических материалов. Партнер намерен использовать разработки лаборатории В.Юдина с целью создания эффективных ранозаживляющих покрытий для лечения глубоких поражений покровных тканей, биосовместимых имплантатов кровеносных сосудов и конструкций для регенерации периферических нервов. Спрос на эту продукцию уже высок и, по экспертным оценкам, будет еще выше.

Руководитель лаборатории доктор физико-математических наук В.Юдин надеется по истечении срока гранта РНФ получить электропроводящие полимерные кондуиты для восстановления периферических нервов с протяженными дефектами, по аналогии с тем, как удалось сконструировать биорезорбируемые протезы кровеносных сосудов малого диаметра. А еще он мечтает, чтобы молодые сотрудники лаборатории нашли свое место в профессии и жизни, чтобы работа приносила им как моральное, так и материальное удовлетворение. Возможно, кто-то из них «рванет» в бизнес и на основе собственных находок создаст отечественный продукт, конкурентоспособный на мировом рынке услуг здравоохранения, а кто-то скажет новое слово в науке о человеке и для человека – тканевой инженерии.

Недавние новости

Возврат к списку