Ученые разрабатывают изделия из биополимеров для лечения атеросклероза

В России разрабатывают биоразлагаемые и биосовместимые изделия из полимеров, которые должны существенно облегчить лечение атеросклероза.

Коллектив красноярских исследователей из Сибирского федерального университета, ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Красноярского центра сердечно-сосудистой хирургии ведет работы по созданию «идеальных» стентов из биополимеров. Ученым удалось подобрать такой состав материала, при контакте с которым у клеток крови не наблюдается негативных эффектов. Масштабное исследование поддержано Российским научным фондом.

Красноярские ученые ведут долгосрочные исследования природных полимеров с уникальным комплексом свойств. Эти конструкционные материалы обладают биосовместимостью и биоразрушаемостью, что открывает практически безграничные перспективы для практических применений, в том числе в регенеративной медицине. Изделия из этих материалов способны сохранять форму, которую им придают исследователи, то есть из них можно изготавливать различные сложные имплантаты и объемные изделия для тканевой инженерии.

Биоразлагаемые полимеры получают путем микробиологического биосинтеза — процесса, в ходе которого специфические бактерии накапливают вещество внутри своих клеток. Для биосинтеза полимеров у бактерий есть специальный фермент, который и соединяет отдельные органические молекулы в длинные цепочки. Эти резервные макромолекулы синтезируются бактериями, когда они растут в неоптимальных условиях, например, когда им не хватает питательных веществ.

В рамках проекта ученые приступили к разработке индивидуальных покрытий для сосудистых стентов. Их используют после инфарктов миокарда и для избавления пациентов от стенокардии. Задача возникла в ответ на ряд медицинских проблем при традиционном стентировании сосудов. При установке стента, который изготавливают путем филигранной лазерной нарезки тончайших, до двух миллиметров в диаметре, стальных трубочек, существует риск повторного сужения сосуда в том же месте из-за того, что инородное тело раздражает сосуд.

Как отмечают исследователи, на самом деле необходимость в существовании стента в сердце непродолжительна, примерно две-три недели. При стентировании разрушается атеросклеротическая липидная бляшка — нарост, который суживал сосуд и вызывал дискомфорт и боли. Стент выступает в роли распорки, которая препятствует ставшему привычным сжатию и обеспечивает стабильный кровоток. Реакция устраняется за две-три недели, после чего распорка уже не нужна.

Однако удалить «вросший» стент нельзя — он стал частью сосуда и мешает формированию «здорового» внутреннего слоя клеток. Металлическое инородное тело становится причиной хронического воспаления и развития повторных, часто стремительных, атеросклеротических изменений. Сосуд в этом месте делается менее прочным, чем здоровый, стенка — более хрупкой, что может быть причиной разрыва, то есть сосудистой катастрофы.

Неудивительно, что в мире ведутся разработки временных стентов из разрушаемых материалов — полимеров или металлов. В качестве биоразрушаемого металла используется магний и сплавы на его основе. Биосовместимость таких материалов низкая. В отличие от этого биополимеры красноярских ученых не отторгаются живыми тканями. Более того, изменяя структуру полимера при его биосинтезе, исследователи могут регулировать срок жизни изделия в организме, его гибкость и упругость, и рельеф поверхности.

При разработке имплантируемых в живую ткань биоинженерных конструкций нужно учитывать, что их поверхность влияет на активность клеток ткани. Это связано с передачей механического усилия, приложенного к поверхности клетки, в биохимические реакции внутри клетки. Клетка в составе ткани или органа находится в состоянии уравновешенного с разных сторон сжатия-растяжения. С одной стороны, снаружи её растягивают соседние клетки и внешние компоненты тканей — элементы внеклеточного матрикса. С другой, изнутри на нее действуют силы, образующиеся при взаимодействии внутренних структур клетки с мембраной.

В ответ на изменение внешних физических параметров клетка может изменять свою форму, функциональное состояние и даже специализацию. Это значит, что, разработав внешний клеточный каркас, обладающий определенными параметрами, ученые могут заставить ее измениться в нужную сторону. Например, в случае атеросклероза «запретить» повторно образовываться атеросклеротическим бляшкам, «приказывая» внутреннему слою клеток сосудистой стенки формировать прочный клеточный слой.

В настоящий момент красноярские ученые изучают механические и химические взаимодействия между биополимерами разного состава и клетками крови пациентов, у которых имеются атеросклеротические бляшки в сосудах сердца. Кровь для исследований предоставляет Красноярский кардиологический центр, где ее берут у пациентов, которым планируют установить стенты. В лабораторных условиях клетки из крови больных начинают накапливать липиды из-за того, что их доноры страдают атеросклерозом, то есть метаболизм липидов у них «испорчен». Задача ученых — изучить характер взаимодействия клеток с различными материалами, и, в перспективе, с помощью биоразлагаемого покрытия добиться «выключения» негативных реакций.

Помимо видимого накопления липидов — мелких плотных капель, наполняющих цитоплазму, атеросклеротические клетки после контакта с биополимером выраженно меняют форму и продукцию характерных для заболевания молекул, таких как простагландины и лейкотриены. Ученые обнаружили, что реакция клеток на полимерные пленки разного состава отличается. В перспективе это открывает возможности для управления их состоянием.

«Наша задача довести исследование до такой стадии, когда для человека, страдающего атеросклерозом конкретной стадии и имеющего определенные сдвиги в гомеостазе, можно будет рекомендовать состав материала для покрытия биоразрушаемого стента. „Идеальный“ материал позволит пораженным сосудам сердца заживать без следа того, что в них когда-то были бляшки. Впоследствии этот материал можно будет использовать для производства всего стента целиком, и даже для более сложных имплантатов, например, фрагментов сосудов, клапанов и целого сердца», — пояснила руководитель работ, заведующая кафедрой медицинской биологии Сибирского федерального университета, главный научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН доктор биологических наук Екатерина Шишацкая.