В Нижегородском государственном университете (ННГУ) имени Н. И. Лобачевского с помощью природоподобных технологий получают материалы, аналогичные по химическому составу и структуре костной ткани человека, изготавливают восстанавливающие пасты для зубов, а также биополимерные пленки, способные лечить ожоги, кожные заболевания и даже рак. РИА Новости рассказывает о том, что уже можно применить в медицине, а также о перспективах дальнейших исследований.
Подсмотрено у природы
Химики, физики, биологи и медики вместе разрабатывают материалы, максимально соответствующие природным, не отторгаемые организмом. Желательно также, чтобы они обладали и терапевтическими свойствами.
Об исследованиях в этом направлении рассказали на кафедре аналитической и медицинской химии химического факультета ННГУ, которую корреспондент РИА Новости посетил благодаря инициативе «Научно-популярный туризм. Десятилетия науки и технологий», реализуемой в рамках нацпроекта «Наука и университеты».
Искусственная кость
При сложных переломах, костных инфекциях и опухолях нередко требуется восстановить утраченную костную ткань. Для этого используют кость самого пациента либо донора. Взятие костного материала – сложная и рискованная операция, причем без гарантии, что трансплантат приживется. Поэтому мечта медиков – универсальный синтетический материал, близкий к человеческой кости, из которого можно методом отливки, обтачивания или 3D-печати изготавливать биосовместимые имплантаты.
С точки зрения химии, костная ткань – это органо-неорганический композитный материал. Основные компоненты: гидроксиапатит (гидроксифосфат кальция), образующий минеральный каркас, и коллагеновые волокна, обеспечивающие упругость и проницаемость. У взрослого человека на гидроксиапатит приходится 60–70% веса костей. Остальные 30–40 – органическое вещество, главным образом коллаген типа I – фибриллярный белок соединительной ткани, отвечающий за рост и пролиферацию клеток.
В ННГУ поставили перед собой задачу воспроизвести такой композитный материал в лаборатории. Сначала решили проблему синтеза гидроксиапатита. Для этого собрали специальную реакторную установку.
«Туда подают исходные вещества – нитрат кальция и фосфорную кислоту, – объясняет заведующий кафедрой, доктор химических наук, профессор Александр Князев. – Главная сложность заключалась в том, чтобы точно выдержать параметры синтеза гидроксиапатита, прежде всего кислотность и температуру. Даже небольшие отклонения приводят к появлению совсем других соединений».
На следующем этапе экспериментально установили, при каких условиях совместно осаждаются минеральная и органическая части. В качестве сырья для волокон взяли полисахариды и рыбный коллаген из отходов перерабатывающей промышленности.
«Рыбный коллаген лучше, чем бычий, который обычно применяют в таких случаях, – уточняет доцент Виталий Корокин. – Гипоаллергенный, с трансдермальными свойствами проникает через кожу и быстрее попадает в кровоток. На 96% идентичен человеческому белку. Тоже коллаген типа I. В нем много аминокислот – глицина и пролина, необходимых для синтеза элементов ДНК и РНК».
Это вещество получают в виде геля, который после высыхания превращается в порошок. Конечный продукт представляет собой пористый композитный материал типа твердой губки, похожий на натуральную кость. Из него можно создавать каркасы (скаффолды) имплантатов, куда будет прорастать соединительная ткань и поступать кровь. Коллаген обеспечит биосовместимость.
Для усиления биоактивности в матрицу гидроксиапатита и коллагеновых волокон ученые предлагают добавлять вещества, способствующие заживлению костной ткани, противоопухолевые и другие терапевтические препараты.
Будущее стоматологии
Новый материал пригодится и в стоматологии – для реставрации, лечения кариеса и восполнения крупных дефектов зубной ткани, которая тоже состоит из гидроксиапатита и коллагена.
«Его можно использовать в челюстно-лицевой хирургии, – рассуждает Корокин. – Например, сейчас практически нет решений для восстановления тканей челюсти. Если из нашего материала сделать каркас определенной формы, на нем образуется соединительная ткань и он врастет в кость, а затем рассосется, поставляя параллельно ионы кальция, фосфора и коллаген».
«Гидроксиапатит применяется в зубных пастах для укрепления зубной эмали, – продолжает ученый. – Но наша мечта – полностью «химический» зуб. Пока каркас покрывается тканью, а материал стимулирует реминерализацию, зуб словно вырастает заново».
Лечебная кожа
На химфаке ННГУ занимаются также полимерными дермальными пленками для регенерации кожи и доставки лекарств в кровоток.
«Кожа – это защитный панцирь, – говорит Князев. – Там, где кожный покров нарушен, ничто не мешает микробам и вирусам проникать в организм. Еще есть проблема заражения крови. Пленка защитит от этого, пока не затянется рана».
В отличие от пластыря, полимерная пленка пропускает воздух, необходимый для регенерации кожи. Кроме того, в нее можно добавить антибиотики, заживляющие препараты, гормоны, ускоряющие восстановление тканей.
«Казалось бы, парадокс: антибиотики подавляют биологическую активность, а гормоны – наоборот. Но при правильном сочетании это эффективно, – подчеркивает профессор. – Противоожоговые повязки с таким сложным составом – наше ноу-хау. Мы их уже испытали на крысах, и результаты очень хорошие. У любых кожных трансплантатов есть риск отторжения, а тут мы просто создаем организму условия для самовосстановления. И при этом защищаем от инфекций».
Дермальные пленки делают на полимерной основе – синтетической, полусинтетической или только из природных веществ. Последний вариант наиболее привлекательный. Естественные материалы биосовместимы и биоразлагаемы, их можно использовать и во внутренних операциях для замещения тканей.
Последняя разработка ННГУ, совместная с коллегами из Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева, – пленки на основе биоцеллюлозы. Это природный полисахарид из клеточных оболочек растений. Абсолютно безопасен для человека. К тому же в России налажено собственное производство биоцеллюлозы, и это тот случай, когда импортные технологии не нужны.
Пленки очень удобны, с прекрасной адгезией – любой человек справится с ними и без врача. Единственное ограничение – нельзя долго держать на воздухе, так как они быстро высыхают и теряют свои свойства. Впрочем, при герметичной упаковке это не проблема. Биополимерное покрытие на кожу можно также наносить в виде аэрозоля или геля.
Пленка от рака
Важнейшее качество биополимерной пленки – способность к самоорганизации и структурированию, в результате чего она приобретает качества природных мембран. Как и в человеческой коже, гидрофильные слои в ней чередуются с гидрофобными, а внутренние транспортные каналы обеспечивают хорошую проницаемость.
Благодаря этому «искусственную кожу» можно использовать для неинвазивной доставки в кровоток препаратов системного действия при таких сложных болезнях, как псориаз, ревматоидный артрит, различные нейродермиты. Особенно это актуально в случае онкологических заболеваний, когда нужно по возможности снизить дозу вещества.
«Противоопухолевые препараты сильно токсичные. Надо сделать так, чтобы они достигали системного кровотока через кожу, не отравляя весь организм. Тогда биополимерная пленка действует как инъекция», – отмечает руководитель направления, профессор кафедры аналитической и медицинской химии Нина Мельникова.
Например, 5-фторурацил, давно применяемый в химиотерапии. Внутривенные инъекции очень тяжелы для пациентов, возникает множество побочных эффектов в пищеварительной, кровеносной, сердечно-сосудистой, репродуктивной, центральной нервной системах организма.
Эксперименты на мышах показали, что, если вместо капельницы применять полимерные пленки, дозу удается снизить вдвое. При этом повышается точность доставки препарата к опухоли благодаря введению наноэнзимов из оксидов церия и цинка, выполняющих роль вектора.
«Металлические ферменты»
В классическом понимании энзимы – это белки, ферменты, ускоряющие метаболизм. Два десятилетия назад ученые установили, что на это способны и неорганические наночастицы оксидов некоторых металлов.
«Наноэнзимы – это биомиметики, они имитируют действие природных ферментов, таких как супероксид дисмутазы, фосфотаза, каталаза, – объясняет Мельникова. – Они точно так же выступают катализаторами биологических реакций, участвуют в антиоксидантной защите организма, перехватывая различные радикальные супертоксичные частицы, усиливают восстановительные возможности. При этом никаких побочных эффектов, характерных для ферментов из животного сырья. В медицине у них большое будущее».
Исследователи ННГУ впервые продемонстрировали синергию от включения наночастиц оксидов металлов с конкретными противораковыми препаратами в полимерные пленки, доставляющие вещества в системный кровоток.
«Мы научились модифицировать наночастицы оксидов церия и цинка, сажая на них противоопухолевые вещества, – уточняет профессор Мельникова. – Наноэнзимы сами по себе обладают антибактериальными и противоопухолевыми свойствами, а их комбинация с тем же 5-фторурацилом – это абсолютно оригинальная идея».
Синтезировать наноэнзимы значительно проще и дешевле, чем натуральные белки. Получить наночастицы оксидов металлов и сорбировать на них лекарственное вещество можно даже в лабораторных условиях. Тут не требуется каких-то сложных технологий, весь процесс легко контролируется и поддается стандартизации.
Лечебные пленки с наноэнзимами успешно испытали на животных. Теперь ученые ищут коммерческого партнера для клинических исследований на людях.
Источник: РИА НОВОСТИ
