Полимерные материалы - соединения на основе высокомолекулярных веществ, состоящих из однотипных группировок атомов, которые соединены между собой химическими связями. Основную массу полимеров получают либо путём химического синтеза из мономеров, либо методом переработки естественных полимеров (целлюлозы, лигнина).
В общем, все полимерные материалы воспринимаются клетками организма как посторонний предмет. Первичная реакция на имплантированный полимер неспецифическая и является обыкновенной реакцией раздражения на посторонний предмет. Обычно эта реакция представляет собой асептическое воспаление, степень которого определяется как химическими, так и физическими свойствами полимерного материала.
Наиболее благоприятным результатом такого воспаления считается образование тонкой соединительной капсулы. Медицинские аспекты поведения того или иного материала в живых тканях довольно разнообразны: в одних случаях соединительная ткань обтекает протез, в других прорастает сквозь него; сердечный клапан, протез артерии или протез жёлчного протока, даже если они изготовлены из одного материала, "вживляются" в организм по-разному, если вживляются вообще.
При протезировании мягких тканей важно добиваться максимального соответствия физико-механических свойств протеза и его формы аналогичным параметрам живой ткани.
Тканевая инженерия объединяет в себе аспекты цитологии и материаловедения, что позволяет создавать в условиях лаборатории полусинтетическим путём ткани и органы. Подобные структуры состоят из биологического каркаса, который постепенно разлагается и адсорбируется в организме, и клеточных элементов, выращенных с помощью культивирования культур клеток.
Конечной целью данного научного направления является перспектива выращивания полноценных органов, которые состоят из разных типов клеток и тканей, а также способны заменить повреждённые в ходе заболевания или травмы органы.
Первыми в лабораториях были созданы такие простые ткани, как кожа и хрящ. Недавно учёным удалось воплотить в жизнь идею биогибридной почки, способной поддержать жизнедеятельность пациента с острой почечной недостаточностью на протяжении периода, необходимого для прохождения восстановительного процесса в поражённой почке.
У исследуемой группы больных, шансы на выживание которых при традиционных методах лечения оценивались в 10-20%, полностью восстановилась функциональность почек, и пациенты покинули больницу в достаточно удовлетворительном состоянии благодаря трансплантации биогибридных почек, которая предотвратила появление симптомов, присущих острой почечной недостаточности: сепсиса, инфицирования, нарушения работы других систем.
Отдельными элементами гибридной почки являются полые трубочки, засеваемых почечными стволовыми клетками, которые пролиферируют, пока не покроют всю внутреннюю поверхность трубочек. В дальнейшем эти клетки дифференциируются в клетки почек, которые способны к синтезу ряда гормонов и принимают участие в фильтрации крови. Также гибридная почка способна корректно реагировать на сигналы, посланные остальными структурами организма.
Тканевая инженерия - многодисциплинарная отрасль, которая применяет разные подходы инженерии, молекулярной биологии и цитологии для создания биологических заменителей с целью восстановления, поддержания и развития качества тканевых функций.
В её основе лежат 3 составляющие:
1. Репаративные клетки, которые сформируют функциональный матрикс.
2. Подходящий остов для "монтажа" клеток и основы.
3. Биологически активные молекулы (цитокины и факторы роста), поддерживающие ткань и руководящие её формированием.
В организме человека синтезируется целый набор белков - факторов роста. Они стимулируют деление и рост клеток, а также руководят их дифференциацией. Эти природные белки, руководящие регенерацией тканей, используются при лечении ран, восстановлении повреждений ткани, а также в тканевой инженерии. К наиболее важным из них относят факторы роста эпидермиса, эритропоэтин, фактор роста фибробластов, фактор роста нервов.
В последнее время для трансплантации всё большую популярность приобретают гидрогели. Они представляют собой нерастворимую сетку гидрофильных полимеров, способную впитывать биологические жидкости и воду. Основой для гидрогелей может служить ряд водорастворимых веществ. Гидрогели преимущественно состоят из искусственно синтезированных полимеров и естественных молекул. Самыми распространёнными матрицами являются полиакриламид, поливинилпирролидон, карбоксиметилцеллюлоза, крахмал, казеин, желатин. Пространственная гидрогелевая структура является результатом поперечного сшивания полимеров, которые в результате формируют нерастворимое в окружающем растворе образование.
Биообразные гидрогели имеют огромный потенциал для использования в создании тканей in vivo. Благодаря высокому содержанию воды (до 97%) гидрогели замечательно совместимы с организмом. Они удерживают форму, оставаясь пластичными, способны выдерживать перепады температур и давления. К тому же они имеют хорошие оптические свойства, что особенно кстати при создании искусственной роговицы и стекловидного тела. Так, если говорить об оптических свойствах гидрогелей, коэффициент их преломления практически совпадает с коэффициентом преломления воды (1,33 и 1,35 соответственно). Механические свойства тоже поражают: гидрогели могут выдерживать давление от 0,6 до 3,0 МПа.
Большинство гидрогелей стойки к действию кипящей воды, а также к влиянию кислот и щелочей. Эти материалы выдерживают рН в интервале 1-10, а также температуру от 10 до 130 градусов по Цельсию.
Учёные Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева создали гидрогели нового поколения - структуры, удерживающие рекордно большое количество воды - до 95-99%. Благодаря высокому содержанию воды гидрогели хорошо соединяются с тканями, не вызывают раздражения и являются проницаемыми для кислорода. Исследователи этого же университета создали уникальное синтетическое стекловидное тело, которое не обрастает, не мутнеет, на его поверхности не происходит процессов отторжения.
Учёные Корнельского университета (США) разработали трёхмерную гидрогелевую матрицу, которую пронизывает система микроканалов, имитирующая капиллярную сетку. В такой системе можно создавать различные трёхмерные структуры, например, в форме мениска коленного сустава, и засеивать их живыми клетками. Теоретически, в такой системе можно вырастить любую ткань. Вода, которая входит в состав гидрогеля, удерживается тонкой сеткой полимера, в качестве которого используют целлюлозу, являющуюся целиком безопасной для организма.
Учёные Гетеборгского университета (Швеция) экстрагировали хондроциты из суставов 25 пациентов, вырастили культуру клеток хрящевой ткани, а потом имплантировали её в травмированный коленный сустав. У 14 из 16 пациентов было отмечено абсолютно полное замещение повреждённого хряща новым.
Экспериментальная группа из биотехнологической компании "Organogenesis" занималась выращиванием плёнки искусственной кожи, матрицей для которой послужил естественный коллаген. При клинических испытаниях нового трансплантата кожи было отмечено, что он улучшает заживление венозных ран и кожных повреждений.
Джоэль Шнайдер и Даррин Почан, учёные из Делаверского университета, создали маловязкий гидрогель, цель использования которого - быстрое заживление ран. Основу новинки составляет пептид, названный МАХ, созданный этими же учёными несколько лет назад. Этот белок имеет функцию самосборки, которая запускается под влиянием внешних факторов. Новый гель является отличным пористым адсорбентом. Благодаря этому он является "арматурой" для фибробластов и остеобластов.
Оба типа клеток принимают участие в заживлении ран. Также в гель можно вводить гепатоциты в участок поражённой печени. Гель имеет антимикробные свойства, убивая многих грамположительных и грамотрицательных бактерий. Новый гель на основе МАХ можно хранить как в виде порошка, так и вводить с помощью обычного шприца.
Однако не всё так хорошо, как кажется. Гидрогели, несмотря на все свои преимущества и замечательные перспективы, имеют целый ряд недостатков. К сожалению, очень часто результатом реакции на посторонний предмет является образование капсулы вокруг имплантата. Именно инкапсуляция и создаёт определённые невыгодные условия для функционирования органа или ткани.
Прежде всего, она препятствует контакту с другими тканями, и, как следствие, нормальному прорастанию кровеносных сосудов. При отсутствии инкапсуляции эту проблему можно решить достаточно легко: можно индуцировать прорастание кровеносных сосудов смежных тканей в имплантат. Процесс роста инициируют специальные стимуляторы, содержащиеся в полимерном каркасе. В конце лечения клетки смежных тканей и оздоравливаемого участка соединяются и формируют общий кровеносный сосуд.
Исследователи Райсовского университета совместно с коллегами из Медицинского колледжа Бейлора отлично справились с одной из самых сложных проблем на пути к выращиванию тканей, готовых для пересадки, в лабораторных условиях.
Им удалось найти способ выращивания кровеносных сосудов, поддерживающих трофику тканей. В качестве матрицы учёные использовали полиэтиленгликоль, модифицированный с целью имитации аморфного вещества, которое является основой соединительной ткани, обеспечивает механическую поддержку и транспорт химических веществ.
Полученную матрицу смешали с двумя типами клеток, необходимых для полноценного формирования кровеносных сосудов, и с помощью света, который фиксировал матрицу в форме геля, создали мягкие гидрогели, вмещающие живые клетки и факторы роста. В течении трёхсуточного наблюдения было зафиксировано формирование клетками в геле капилляров.
Для проверки работоспособности новых сосудистых сетей гидрогели имплантировали в роговицу крыс, где отсутствует естественная васкулярная сетка. После введения красителя исследователями было подтверждено нормальное кровообращение в образованных капиллярах.
Инкапсуляция создаёт ещё одно препятствие для функционирование органа - она усложняет гуморальную регуляцию, поскольку капсула делает невозможным доступ к имплантату гормонов.
Впрочем, недавно учёные Национального института стандартов и технологий (США) и их коллеги из университета Мэриленда разработали уникальную методику, с помощью которой можно соединять между собой в одно целое липосомы и частицы гидрогеля. Такая микроконструкция может использоваться для адресной доставки разнообразных веществ, в том числе и гормонов. Также таким путём планируется доставка лекарств в клетки опухолевых образований.
Капсула также защищает имплантат от воздействия иммунокомпетентных клеток. Это делает имплантат особо чувствительным к действию бактерий и вирусов, и тогда орган превращается в рассадник болезней.
Иногда даже имплантаты, изготовленные по современнейшим технологиям, не способны полностью обеспечить всех функций живой ткани. Так, скажем, учёные из британского университета Шефилда разработали новый вид синтетической крови, назначенный для предотвращения острой кровопотери. Главный недостаток этой крови - неспособность вывода продуктов метаболизма.
Ещё одна из новинок гидрогелевой индустрии, связанная с кровью, - создание нового синтетического гидрогеля, который способен активизировать в организме человека протеин, отвечающий за сворачивание крови. Данный гель является полностью синтетическим, его конечная стоимость не превышает 10 у.е., следовательно, им можно заполнить все мировые лаборатории. В рамках тестирования гидрогеля на овцах учёным удалось остановить лёгочное кровотечение за 2 минуты, а кровотечение из печени - за 5 минут.
В данное время наибольшие успехи достигнуты в создании искусственной роговицы, стекловидного тела, хрящей и так называемой "искусственной кожи". Учёные сейчас работают над созданием сложных органов, например, печени. Исследуется применение гидрогелей для стимуляции нейрогенеза. Принимая во внимание потрясающие характеристики гидрогелей, они будут и в дальнейшем внедряться в медицину, а все проблемы с их использованием будут решены. Тем более, потенциальные перспективы гидрогелей в медицине практически не ограничены.
