Естественная кожа человека защищает внутренние органы от неблагоприятных воздействий окружающей среды — механических, химических, термических и других. Барьерные функции кожных покровов обеспечиваются прочностью и упругостью. Более того, кожа помогает людям дышать. Молекулы кислорода проникают через нее, даже если его содержание в атмосфере составляет всего 0,5%.
Фото: Предоставлено ИМЕТ РАН
Фото: Предоставлено ИМЕТ РАН
Существует несколько основных подходов для восстановления дефектов кожных покровов, возникших после ран, ожогов, травм, заболеваний, в том числе и онкологических. В первую очередь это собственные ткани пациента, золотой стандарт тканевых эквивалентов. Но количество таких материалов ограничено по понятным причинам. В некоторых случаях пациентам трансплантируют донорские материалы (аллотранспланты) или ткани животного происхождения (ксенотранспланты). Например, для лечения ожогов применяют рыбью кожу, точнее, полоски обеззараженной кожи тилапии.
Однако эти материалы имеют недостатки. Бывают случаи инфицирования раны имплантатом с последующим отторжением последнего, что обусловлено быстрой интоксикацией организма. Зачастую это приводит к ампутациям и удалениям больших объемов всех тканей. Немаловажным фактором является высокая стоимость применения донорских тканей — забор материала, его технологическая обработка, подготовка, хранение и т. д.
Поэтому нужно создание искусственных эквивалентов мягких тканей, способных по крайней мере поддерживать функции клеточных компонентов кожи на этапах восстановления. В Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) под руководством члена-корреспондента РАН Владимира Комлева создают адекватные материалы для замещения кожных дефектов человека, в том числе для применения в онкологии, для лечения диабетических и трофических язв.
Команда института разработала широкий спектр материалов на основе биосовместимых полисахаридов (биополимеры растительного происхождения). Эти материалы позволяют максимально воссоздать основные функции кожного покрова и обеспечивают защитную и барьерную функции от факторов внешней среды. Важным преимуществом таких материалов является их «биологическая безопасность». Еще одним несомненным преимуществом является возможность использования биополимерного материала не только как кожного эквивалента, но и как матрикс для локальной доставки лекарств, факторов роста и прочих биологических агентов, что важно в случае пациентов с низким регенеративным потенциалом. Такое часто встречается при диабетических язвах: организму просто не хватает ресурсов для восстановления, и ему необходима «помощь извне».
Также в случае ожоговых инфекций высоко востребована быстрая и локальная терапия, которая часто несовместима с донорскими материалами, но очень эффективна при включении ее непосредственно в искусственный тканевый эквивалент.
ИМЕТ РАН совместно с НИЦ «Курчатовский институт» создали двухслойные тканевые эквиваленты на основе альгината натрия — внеклеточного полисахарида с высокой биосовместимостью, биорезорбируемостью и широким спектром полезных свойств. Разработаны способы его функционализации антибактериальными препаратами и факторами роста для лечения ран, трофических и диабетических язв и поражений кожи. Создание двухслойной структуры материала с разной архитектоникой поверхности позволило воссоздать основные функции кожного покрова. Верхний, беспористый, слой обеспечивает защитную и барьерную функции от факторов внешней среды, поддержание постоянной температуры, задерживает испарение воды. Пористая структура второго слоя с сетью взаимосвязанных пор обеспечивает быструю васкуляризацию, то есть прорастание сосудов в материал и образование соединительной ткани дермы. Но задача создания трехмерного клеточного носителя для тканевой инженерии все еще не решена до конца, так как необходимо объединить две функции, которые часто несовместимы друг с другом: эффективные механические свойства и высокую биосовместимость. Поэтому для повышения регенеративного потенциала, то есть для быстрого восстановления кожных покровов, в ИМЕТ РАН применили подход функционализации с использованием плазмы самого пациента либо при медицинских показаниях — донора. Имплантаты с такими свойствами предназначены для восстановления кожных покровов при лечении пациентов с трофическими или диабетическими язвенными поражениями без хирургического вмешательства, консервативными методами.
С развитием аддитивных технологий, в частности 3D-биопринтинга, стало возможным создание персонализированных тканевых эквивалентов любой сложности. Этот метод включает в себя создание исходной компьютерной 3D-модели и последовательное послойное формирование объекта требуемых размеров, формы и внутренней структуры из различных композиционных материалов, по сути, обеспечивая персонализацию изготавливаемого изделия. Современные медицинские томографы с высоким разрешением позволяют получать необходимые исходные данные от конкретного пациента для создания таких трехмерных компьютерных моделей различных тканей и органов. Использование таких технологий и свойств полисахаридов позволило персонализировать материалы и разработать принципиально новые гибридные тканевые эквиваленты на основе альгината натрия и ген-активированных компонентов. В состав разрабатываемых материалов и изделий включены генные конструкции, матрикс-опосредованные ДНК-вакцины. Более того, разработанный нами подход позволяет синтезировать генные конструкции, несущие гены, специфические для определенного вида заболеваний.
«Распространенность биополимеров, их невысокая себестоимость, простой и эффективный процесс производства таких материалов, том числе 3D-биопринтинг, и последующая функционализация позволяют в перспективе утверждать о их потенциальной востребованности в тканевой инженерии мягких тканей»,— надеется руководитель ИМЕТ РАН, член-корреспондент РАН Владимир Комлев.