Звук, который видит
Ультразвуковые исследования высокого разрешения для регенеративной медицины
В лаборатории акустической микроскопии Института биохимической физики им Н. М. Эмануэля Российской академии наук (ИБХФ РАН) совместно с коллегами из Института синтетических полимерных материалов Российской академии наук (ИСПМ РАН) и Центром робототехники Московского государственного технического университета имени Баумана с применением нового подхода ультразвуковой визуализации высокого разрешения были изучены особенности деградации полимеров PLGA (Poly(D,L-lactide-co-glycolide)) in vivo.
Авторы работы модифицировали высокочастотный акустический микроскоп для неинвазивных прижизненных исследований мелких лабораторных животных (см. рис. 1). Экспериментальная установка включает: нагревательный столик с системой позиционирования мышей, воздушную систему анестезии и миниатюрную кювету с водой для подведения акустической линзы к месту сканирования. Высокочастотные сфокусированные пучки позволяют изучать и визуализировать объемную микроанатомическую структуру имплантируемого полимера и окружающих его тканей с разрешением несколько десятков микрон.
Экспериментальная установка. Акустический микроскоп для in vivo исследований
Фото: Предоставлено Минобрнауки
Экспериментальная установка. Акустический микроскоп для in vivo исследований
Фото: Предоставлено Минобрнауки
Экспериментальное оборудование было проверено на быстро деградируемых пластинках полимера PLGA. На основе ультразвуковых исследований совместно с данными о молекулярном весе были визуализированы и описаны процессы трансформации внутренней микроструктуры и упругих характеристик полимеров в течение шести недель после имплантации (см. рис. 2). Раз в неделю результаты исследований in vivo анализировали в сравнении с результатами исследований in vitro. В результате исследований обнаружена асинхронность изменения объемной микроструктуры и упругих свойств полимера при деградации in vitro и in vivo. Процесс деградации имплантированных пластинок PLGA шел с запаздыванием на две недели по сравнению с in vitro данными. Скорость гидролиза напрямую связана с количеством жидкости, адсорбированной полимером. В модельной среде образцы находились в прямом контакте с водой, а имплантированные полимеры имели ограниченный доступ к жидкости. Ввиду формирования фиброзной капсулы двухнедельный временной сдвиг деградации объемной микроструктуры и упругих свойств полимера PLGA сохранялся до конца эксперимента.
Ультразвуковые изображения образца PLGA на различных стадиях деградации in vivo. XZ-сканы отображают структуру в вертикальном поперечном сечении: дерма, имплантированная полимерная пластинка, окруженная фиброзной капсулой, поры и полости, образованные в полимере, и кровеносные сосуды
Ультразвуковые изображения образца PLGA на различных стадиях деградации in vivo. XZ-сканы отображают структуру в вертикальном поперечном сечении: дерма, имплантированная полимерная пластинка, окруженная фиброзной капсулой, поры и полости, образованные в полимере, и кровеносные сосуды
«Изучение кинетики процессов деградации полимеров в условиях in vivo является одной из основных задач науки о полимерах. Разработанный нами новый подход ультразвуковой визуализации высокого разрешения позволяет исследовать деградацию имплантированных полимеров в динамике. Высокочастотный акустический микроскоп был модифицирован для неинвазивного прижизненного сканирования мелких лабораторных животных. Воздушная анестезия, нагревательный столик и механическая система позиционирования мышей под сфокусированным ультразвуковым пучком позволяют визуализировать объемную микроанатомическую структуру имплантируемого полимера и окружающих тканей с разрешением в десятки микрометров и с тем же пространственным разрешением оценивать изменения локальных упругих свойств полимеров. Первые экспериментальные результаты, полученные для быстро деградируемых полимеров PLGA, показали высокую эффективность разработанного подхода. Мы не останавливаемся и продолжаем свои эксперименты, но уже на полимерах с длинным циклом разложения»,— рассказал к.ф.-м.н., с.н.с. ИБХФ РАН Егор Мороков.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема №122041400112-8).
Синтез и характеристика PLGA выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (госзадание 2022-0003).
Мороков Егор, с.н.с., к.ф.-м.н. лаборатории акустической микроскопии Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля Российской академии наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Чем новый метод отличается от других методик неинвазивного исследования имплантатов?
— В основе описанного метода лежит сфокусированный ультразвуковой пучок высокой частоты, что позволяет добиваться высокого разрешения при визуализации имплантатов. Кроме того, метод позволяет одновременно с визуализацией объекта и окружающих его тканей проводить анализ изменений упругих свойств имплантированного материала.
— Какая будущая область применения у устройства, например, планируется ли с помощью него исследовать приживаемость имплантатов у человека, или он будет использоваться только в лабораторных исследованиях?
— Методы, в основе которых стоит использование элементов точной механики и узких зондирующих пучков, таких как ультразвук или высококоллимированные рентгеновские пучки, в большинстве случаев применяются при фундаментальных лабораторных исследованиях. Кроме того, требуются квалифицированные специалисты для сканирования и расшифровки получаемых данных. Наш метод не исключение, и использование его в рутинной медицинской диагностике несколько затруднительно. Акустическая микроскопия предназначена в большей степени для получения фундаментальных знаний о процессах перестройки имплантированных материалов и их приживляемости в живом организме.
— Можно ли будет с помощью него проверять разные виды имплантатов, не только полимерные, планируется ли дальнейшая модернизация устройства?
— Метод акустической микроскопии может применяться для любых типов вживляемых материалов, при этом не требуется вводить дополнительные контрастные агенты и вещества, которые могут повлиять на течение каких-либо биологических процессов в живом организме. Полимерные биорезорбируемые (разлагаемые в живом организме на воду и углекислый газ) материалы выглядят наиболее перспективными для использования в качестве искусственных каркасов в тканевой инженерии и регенеративной медицине, и их изучение с научной точки зрения видится на данном этапе наиболее перспективным.
Акустическая микроскопия как экспериментальный метод получения данных о материалах постоянно модернизируется и совершенствуется. Развитие приборной базы происходит в момент появления новых задач и вызовов, возникающих в разных отраслях современной медицины и промышленности. В частности, модификация микроскопа, описанная в работе, возникала в результате необходимости дополнительного описания процессов трансформации в динамике микроструктуры и свойств полимерных материалов, имплантированных в живом организме.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки.
Подробно c работой, опубликованной в журнале European Polymer Journal (IF = 6), можно ознакомиться по ссылке.