От импланта к органу

Самое перспективное направление в современном здравоохранении — регенеративная, или восстановительная, медицина. Основная ее задача — не замещать пораженный орган или ткань имплантом-протезом, а восстановить их внутри организма.

Тимофей Григорьев, кандидат физико-математических наук, начальник отдела нанобиоматериалов и структур Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий

Чтобы восстановить поврежденный орган, порой недостаточно одной специальной диеты, да и сам размер повреждения нередко требует особых мер. Органы получается восстанавливать при помощи новых материалов, имеющих в основании функциональные полимеры, различные металлы и композиты. Создать материал, который не окажет общетоксического или аллергического воздействия на организм, не вызовет воспаления и не спровоцирует развития инфекции,— непростая задача, для решения которой требуется скрупулезный междисциплинарный подход.

В Курчатовском комплексе НБИКС-природоподобных технологий Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" коллектив ученых проводит исследования на стыке физики, химии, биотехнологии, биофизики, молекулярной и клеточной биологии, медицины: миссия исследователей — не только разработать новые материалы для восстановления органов, но и придумать, как такие биоматериалы можно модифицировать, сделать более надежными и добиться лучшей их биосовместимости с организмом. С самыми перспективными биоматериалами команда проводит клинические эксперименты и дает оценку их медико-биологических свойств

Раствориться в организме

Уникальные материалы для биомедицины могут быть получены различными путями. Если взять, скажем, обычный фторполимер, близкий родственник тефлона (который используют для покрытий в сковородках), и правильно его сформовать, то при имплантации этот материал уже не будет вызывать негативный ответ организма: клетки просто пройдут в него, на этом каркасе организуется новая ткань. Разумеется, и это тоже будет своего рода имплант, однако уже нового поколения — имплант улучшенной приживляемости. Высший пилотаж, к которому стремится передовая восстановительная медицина,— это биоразлагаемый каркас, который пробудет внутри организма сколько нужно и просто исчезнет, растворится. И с такими полимерами также работают в Курчатовском институте.

Кукуруза против туберкулеза

В лабораториях отдела нанобиоматериалов и структур создаются и исследуются как биоразлагаемые полимеры, так и разнообразные материалы из них. Именно характеристика материала (а не только самого полимера, из которого материал сделан) определяет то, каким образом можно его применить. Вот полилактид — синтетический биоразлагаемый полимер, получаемый на основе сахаросодержащего сырья (например, кукурузы). Если "подробить" этот полимер на наночастицы, то получится основа для суперлекарства: оно равномерно распределится по организму, направленно выберет для действия только пораженную область. Конечно, такими средствами не имеет никакого смысла лечить насморк или царапины, такие лекарства предназначены для давних и опасных врагов человечества — рака, туберкулеза. Если сформовать волокна диаметром 500-3000 нанометров, то такой волокнистый материал станет замечательным каркасом для живых клеток, которые сформируют на нем ткань или орган.

Губка вместо легкого

Сотрудники НИЦ "Курчатовский институт" совместно с врачами разного профиля создают биоискусственные каркасы самых разных органов: кровеносных сосудов, кожи, трахеи, желчного протока, пищевода. Если увеличить размер структур и создать, скажем, пористый материал ("губку") диаметром поры 100-200 микрон, то он может стать основой и других, более сложно устроенных органов, например спинного мозга или костей. Но наиболее перспективным представляется использование такой "губки" при операциях на легких — в пульмонологии. Очень часто после удаления части легкого из-за туберкулеза, онкологического заболевания или травмы есть необходимость воспрепятствовать его перерастяжению в освободившийся объем — для легкого это губительно, перерастяжение легкого ведет к новой болезни и часто является причиной рецидива туберкулеза, а легкое не сошьешь и не склеишь. Эти особенности легкого и диктуют свойства материала: он должен быть объемным (до 0,5 л), но легким и должен со временем заместиться тканями организма.

Очень важно формировать материал, основываясь на знаниях врачей: в этих исследованиях с Курчатовским институтом тесно сотрудничает заведующий отделом хирургии Национального медицинского исследовательского центра фтизиопульмонологии и инфекционных заболеваний МЗ РФ К. В. Токаев.

Заменитель кости рассосется

Подобные же пористые материалы с внедренными в них лекарствами могут применяться при переломах и ранах с инфекционными осложнениями как каркасы мягких тканей. Если из того же полимера полилактида сделать массивные изделия — винт или пластину, то с их помощью будет обеспечена наилучшая фиксация костей при сложных переломах.

Сейчас хирурги-травматологи для лечения переломов используют титановые импланты, которые по окончании лечения необходимо извлекать из организма. Разработка ученых Курчатовского института избавит пациентов от дополнительных мучительных операций. Ученые лаборатории нанобиоматериалов и структур НИЦ "Курчатовский институт" разработали биодеградирующие костные импланты и конструктивные детали для остеосинтеза — сращения костей. При их использовании пациентам после курса лечения не будет надобности вновь ложиться на операцию для извлечения имплантов: со временем имплант сам рассасывается.

Однако это не должно случиться слишком рано, когда кость еще не срослась или когда имплант еще не оброс собственной тканью организма. С другой стороны, имплант не должен быть слишком прочным, ведь иначе он может травмировать соседние ткани и лишь усугубить повреждение. Поэтому чрезвычайно важно регулировать прочность материала, для чего требуется глубокое понимание материала, его свойств и его синтеза.

Уникальные материалы

В лабораториях Курчатовского института исследуют прочностные свойства каркасов тканей и органов: ученые, можно сказать, учатся у природы. Физики и химики, "настроив" структуру материала, передают его биологам для выяснения совместимости с клетками. Для медицинских изделий первым "измерительным инструментом" часто являются руки хирурга, который лучше всего чувствует, какие нужны свойства для операции. И в таком непрерывном междисциплинарном взаимодействии получаются материалы с уникальными свойствами, эволюционирующие от импланта к органу.