Повязку активируют сами клетки
Название «умная повязка» может создать впечатление, что внутри находятся датчики, электроника или микроскопические устройства. В действительности материал работает без аккумулятора, чипов, света, магнитного поля и внешнего управления.Основой разработки стали коллагеновые губки с закреплёнными на них молекулярными конструкциями TrAPs — traction force-activated payloads, или «грузы, активируемые силой натяжения».
Каждая такая конструкция состоит из короткой последовательности ДНК — аптамера, который способен узнавать и связывать определённый фактор роста. Один конец конструкции закреплён на коллагеновой основе, а на другом находится своеобразная молекулярная «ручка», за которую может зацепиться клетка.
Пока клетка не приблизилась, фактор роста остаётся связанным и биологически неактивным. Начавшая двигаться клетка хватается за «ручку» и создаёт механическое натяжение. Аптамер разворачивается и освобождает восстановительный белок непосредственно возле клетки.
Получается система, в которой организм сам определяет время и место подачи сигнала: фактор роста высвобождается не по таймеру и не сразу после наложения материала, а в момент, когда восстанавливающая клетка физически вступает с ним в контакт.
Материал использует собственные белки организма
Факторы роста — это сигнальные белки, управляющие перемещением и размножением клеток, образованием сосудов и восстановлением тканей. Их уже применяют в некоторых методах лечения ран и повреждений костей, но доставка таких веществ остаётся сложной.При обычном нанесении белок может быстро разрушаться или распространяться за пределы нужного участка. Для получения лечебного эффекта приходится использовать высокие дозы произведённых в лаборатории белков. Авторы исследования отмечают, что подобные дозировки способны увеличивать риск нежелательного роста тканей или формирования костной ткани там, где её не должно быть.
Новый материал действует иначе. TrAPs могут захватывать факторы роста, которые уже выделяются клетками повреждённой ткани, а также извлекать их из компонентов человеческой крови. После этого белки удерживаются на поверхности материала до появления активных клеток.
Учёные работали сразу с несколькими веществами:
- VEGF-A стимулирует образование кровеносных сосудов;
- HGF способствует перемещению клеток;
- FGF-2 поддерживает рост и размножение фибробластов;
- PDGF-BB участвует в формировании соединительной ткани и закрытии повреждения.
- Разные конструкции можно объединять в одном материале, создавая систему из нескольких восстановительных сигналов.
Первые испытания провели на сосудах и костной ткани
Сначала исследователи проверили, способен ли материал управлять образованием новых сосудов. Это один из ключевых процессов заживления: без кровоснабжения повреждённая ткань не получает достаточного количества кислорода и питательных веществ.В лабораторных опытах конструкции, захватывающие VEGF-A, усиливали образование сосудистых структур человеческими эндотелиальными клетками. Материал мог собирать белок, который производили сами клетки, концентрировать его и затем повторно высвобождать при механическом контакте.
Затем коллагеновые губки с TrAPs поместили в искусственно созданные повреждения бедренных костей крыс. В обработанной области сформировалось больше кровеносных сосудов, причём они оказались крупнее, чем в контрольных группах.
Заметного ускорения роста самой кости исследователи не зафиксировали. В этом эксперименте материал был настроен преимущественно на VEGF-A, отвечающий за сосуды, а не на белки, непосредственно запускающие образование костной ткани.
Испытание на человеческой коже
Следующим этапом стали полнослойные образцы кожи, полученные от трёх доноров. Кожа находилась вне человеческого организма, поэтому речь не идёт об испытании на пациентах.В образцах создавали небольшие раны, внутрь которых помещали коллагеновые губки. Конструкции предварительно захватывали несколько факторов роста из человеческого тромбоцитарного лизата — богатого восстановительными белками компонента крови.
Через восемь дней учёные увидели более активное проникновение клеток в материал. Кератиноциты, участвующие в восстановлении наружного слоя кожи, перемещались к центру губки, а новая ткань лучше соединялась с окружающей дермой.
На этом этапе материал работал уже не с одним, а с комбинацией факторов роста, управляющих перемещением и размножением разных клеток.
Раны у мышей закрывались быстрее
Для проверки технологии в живом организме исследователи создали на коже мышей полнослойные круглые раны диаметром шесть миллиметров. В повреждения помещали обычные коллагеновые губки, губки с неактивными конструкциями и материал с рабочими TrAPs.На десятый день раны, обработанные активным материалом, имели меньший диаметр по сравнению с контрольными группами. Исследование подтвердило, что конструкции сохраняют работоспособность в сложной среде живой раны, где присутствуют ферменты, воспалительные молекулы и разрушающиеся ткани.
Во время опытов на мышах и крысах учёные не зарегистрировали серьёзных нежелательных явлений, которые потребовали бы досрочно прекратить эксперимент. Однако отдельного полномасштабного исследования токсичности и иммунных реакций не проводили. Авторы указывают, что безопасность ДНК-конструкций, подходящие дозировки и возможность нежелательной активации иммунной системы ещё предстоит изучить.
Почему это пока нельзя назвать готовой медицинской повязкой
Разработанный материал остаётся доклинической технологией. Он ещё не проходил испытаний на людях с ожогами, диабетическими язвами или другими хроническими ранами.Лабораторная человеческая кожа не воспроизводит полностью работу иммунной системы, кровообращение, инфекционный процесс и обмен веществ живого пациента. Опыты на мышах также проводились на относительно небольших острых повреждениях, а не на сложных хронических ранах, которые месяцами не закрываются из-за диабета или нарушения кровоснабжения.
Исследователям предстоит выяснить, как материал влияет на качество восстановленной кожи, прочность ткани и образование рубцов. Необходимо также проверить, насколько результат зависит от возраста пациента, состояния сосудов и количества факторов роста в его крови.
Авторы рассматривают технологию как потенциальную основу для лечения ожогов, диабетических язв, тяжёлых травм и плохо срастающихся переломов. Поскольку аптамеры могут храниться при комнатной температуре, материал теоретически можно будет применять в удалённых районах и полевых условиях, где недоступна постоянная холодильная цепь для хранения белковых препаратов.
Разработку коммерциализирует созданная при Imperial College London компания Traxion Biotech. Сроки начала клинических испытаний и появления готового медицинского изделия пока не объявлены.
