Ученые Томского политехнического университета в сотрудничестве с исследователями из Университета Монтаны (США) предложили новый материал, перспективный для регенеративной медицины — восстановления поврежденных тканей и сосудов.
Фото: Пресс-служба ТПУ
Фото: Пресс-служба ТПУ
Это трехмерный каркас из биодеградируемого материала, наполненный особыми ингибиторами, также полученными в Томском политехе. Они буквально «выключают» работу ферментов, отвечающих за реакцию воспаления, возникающую в иммунных клетках в ответ на внешние раздражители. В данном случае такой раздражитель — это собственно регенеративный материал. По словам ученых, предложенное решение — более простой способ управления иммунным ответом по сравнению с существующими.
«На данный момент у исследователей для регулирования иммунного ответа в арсенале не очень много инструментов. Можно работать с белками, но это сложно. Можно использовать соединения, которые просто убивают иммунные клетки, но они губительны и для других клеток. Мы пошли по другому пути и предлагаем использовать ингибиторы, размещенные непосредственно в сам материал для восстановления дефекта»,— говорит один из авторов статьи, инженер лаборатории плазменных гибридных систем ТПУ Ксения Станкевич.
Подобные трехмерные каркасы из тонких полимерных нитей, переплетенных друг с другом в разных направлениях, называются «скаффолды». В регенеративной медицине их используют в случае травм костных и мягких тканей. Их размещают в месте дефекта, а новая ткань прорастает сквозь скаффолд и заполняет место травмы.
Исследователи из ТПУ и Университета Монтаны использовали для своих скаффолдов основу из биодеградируемого полимера поликапролактона. Изделия из него более эластичны и доступны по цене в сравнении с аналогами. Каркас из поликапролактона создавался методом электроспиннинга — вытягивания тончайших волокон из полимерного раствора под действием электрического поля. На стадии получения скаффолда в структуру полимера внедрялись ингибиторы. Это два соединения — IQ-1 (полное название — 11H-индено[1,2-b]хиноксалин-11-он оксим) и IQ-1E (полное название — 11H-индено[1,2-b]хиноксалин-11-он O-(O-этилкарбоксиметил) оксим).
«Ингибиторы нужны для подавления или замедления физиологических и физико-химических процессов. Они воздействуют на ферменты. Для этого фермент и ингибитор должны подходить друг к другу, как замок и ключ,— поясняет Ксения Станкевич.— Одна из групп ферментов, отвечающих за воспалительный процесс,— это группа JNK. В Томском политехе ранее мы получили новые перспективные ингибиторы, которые показали высокую биологическую активность в подавлении работы этих ферментов. Собственно, IQ-1 и IQ-1E. Особенность наших скаффолдов как раз и заключается в использовании специфических ингибиторов, а также в том, что мы можем их высвобождать из материала постепенно, оказывая пролонгированное действие. Это происходит в основном за счет постепенной естественной деградации полимера. Кстати, деградирует он до биосовместимой 6-гидроксикапроновой кислоты, которую организм человека может утилизировать».
Иммунный ответ клетки представляет собой целый каскад биохимических процессов. В данном случае ферменты JNK — лишь звенья в цепочке. Ингибиторы связываются с ферментами и блокируют их работу. Таким образом, при подавлении работы одного из звеньев «выключается» вся последующая цепочка реакций.
«В этой статье мы представляем результаты исследований на иммунных клетках, выделенных из человеческой крови, и клеточных линиях. В дальнейшем мы будем искать возможности для проведения исследований in vivo. В перспективе наши скаффолды могли бы применяться для восстановления дефектов мягких тканей, сосудов — для этого у поликапролактона подходящие механические свойства. Как пример — для снижения негативных последствий после инфаркта и инсульта,— отмечает ученый.— Скаффолды из различных материалов уже внедряются в медицинскую практику в развитых странах, но говорить об их широком применении пока не приходится. Но это вопрос времени, поэтому ученые продолжают искать наиболее эффективные материалы и биологически активные соединения».
Работа стала результатом сотрудничества нескольких коллективов ТПУ под руководством доцента Научно-образовательного центра Б. П. Вейнберга Сергея Твердохлебова, профессоров Научно-образовательного центра Н. М. Кижнера Андрея Хлебникова и Виктора Филимонова, а также профессора Марка Квина и ведущего научного сотрудника отделения микробиологии и иммунологии Университета Монтаны Игоря Щепеткина.
Работа выполнена в рамках стажировки Ксении Станкевич по программе Фулбрайта и финансово поддержана в рамках проекта Российского научного фонда (№17-15-01111), а также является развитием работ проекта РНФ №16-13-10239 «Разработка и моделирование гибридных биодеградируемых скаффолдов с прогнозируемыми физико-химическими и иммуномодулирующими свойствами для тканеинженерных конструкций», результаты которого включены в доклад Российской академии наук о важнейших научных достижениях российских ученых в 2018 году.
«Poly(ε-caprolactone) Scaffolds Doped with c-Jun N-terminal Kinase Inhibitors Modulate Phagocyte Activation»; Ksenia S. Stankevich, Igor A. Schepetkin, Semen I. Goreninskii, Anastasia K. Lavrinenko, Evgeniy N. Bolbasov, Anastasia R. Kovrizhina, Liliya N. Kirpotina, Victor D. Filimonov, Andrei I. Khlebnikov, Sergei I. Tverdokhlebov, Mark T. Quinn; журнал ACS Biomaterials Science & Engineering, октябрь 2019 г.