"Вырастут новые зубы". Российские ученые создали необычные биоматериалы
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 еще 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, в которую включены объекты нацпроекта "Наука и университеты".
Сотрудники кафедры аналитической и медицинской химии химического факультета ННГУ
© Владислав Стрекопытов
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".
Виталий Корокин рядом с установкой для синтеза гидроксиапатита
© Владислав Стрекопытов
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.
Искусственная кость — пористый композитный материал, состоящий из гидроксиапатита и волокон коллагена
© Владислав Стрекопытов
Высохший гель с гидроксиапатитом
© Владислав Стрекопытов
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, в том числе, можно использовать во внутренних операциях для замещения тканей.
Различные виды биополимерных материалов
© Владислав Стрекопытов
Различные виды биополимерных материалов
© Пресс-служба Проектного офиса Десятилетия науки и технологий
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.
Биополимерная пленка
© Владислав Стрекопытов
Биополимерное покрытие в виде геля
© Пресс-служба Проектного офиса Десятилетия науки и технологий
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.
Нина Мельникова и Александр Князев
© Владислав Стрекопытов
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.
Схема доставки препарата из дермальной пленки в кровоток
© Иллюстрация РИА Новости . iStock/medicalstocks
"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".
"Лекарственная пленка"
© Пресс-служба Проектного офиса Десятилетия науки и технологий
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.
Владислав Стрекопытов