Наноматериалы для улучшения регенеративной медицины

Повышение биосовместимости зарубежных материалов является актуальной необходимостью для промышленности. Чтобы организм человека не отторгал имплантированный биоматериал, мы должны наклеить покрытие (наноматериалы или комплексы биомолекула-наноматериал), регулирующее иммунную систему, на поверхность нашего имплантата. Таким образом, когда клетка иммунной системы оказывается слишком близко к нему, покрытие угнетает клетку и препятствует возникновению воспалительной реакции вокруг имплантата.

Но как сделать такое покрытие?

В основном существует два способа «приклеить» покрытие к имплантату:нековалентная иммобилизация и ковалентная иммобилизация.

Нековалентная иммобилизация (NCI):

NCI — это самый простой и дешевый метод покрытия имплантата, но он во многом зависит от того, насколько гидрофильным является материал имплантата. Он основан на электростатических зарядах, которые создают силу притяжения между имплантируемым материалом и покрытием.

Этот метод обеспечивает быстрое высвобождение биомолекул, поэтому он наиболее удобен, когда нас интересует резкий, но кратковременный ответ. Более того, его самым большим преимуществом является низкая стоимость производства.

NCI можно наносить либо путем адсорбции (мельчайшие частицы размером от 500 мкм до 1 мм прилипают к поверхности), либо путем улавливания (частицы, захваченные пористой матрицей). [2]

При улавливании матрица состоит из водорастворимых полимеров, таких как каррагинан, частично гидролизованный коллаген (желатин), альгинат, агар или триацетат целлюлозы.[2, 3]

Но что происходит, когда материал имплантата гидрофильный, а биомолекула гидрофобная (или наоборот)?

Эффективным решением может быть одна простая идея:инкапсуляция биомолекулы!

Инкапсуляция в оболочке биомолекулы, которую можно легко осуществить с помощью полимеров, таких как агароза, полиэтиленгликоль (ПЭГ) или поли(N-винилпирролидон) (ПВП).

Примером этого метода является использование полисульфонового каркаса, заполненного раствором агарозного геля, насыщенного биомолекулами, для направления регенерации нервных волокон и уменьшения воспаления [4].

Более того, если каркас не совсем гидрофильный, лучшей стратегией иммобилизации биомолекулы является ее инкапсулирование в отдельную водную фазу с помощью процесса, называемого вода-в-масле-в-воде (или двойная эмульсия). Мы также можем провести прямую абсорбцию на поверхности материала с использованием органических растворителей.

Примером гидрофобного полимера, широко используемого для иммобилизации биомолекул, таких как гормональные факторы или даже лекарства, является сополимер молочной и гликолевой кислот (PLGA).

Ковалентная иммобилизация (КИ)

Ковалентная иммобилизация заключается в создании необратимой связи между нашими специфическими биомолекулами и полимером, из которого сделан наш имплантат, с использованием того, что мы называем сшивающими агентами; это химические соединения, которые реагируют на физическое состояние (тепло, свет...) и помогают нам создать связь, которая могла бы связать, например, одну полимерную цепь с другой (мы могли бы представить их как кандалы, которые смыкаются с помощью света или тепла, чтобы связать оба полимера).

Этот метод приводит к гораздо менее резкому воздействию на иммунную систему, хотя и гораздо более длительному; поэтому предпочтительнее использовать его, когда мы заинтересованы в долгосрочном и стабильном ответе.

Основным преимуществом этого метода является то, что он позволяет проводить дифференцировку послойной ткани. Это означает, что мы можем создавать разные точки связывания в нашем каркасе для разных факторов, создавая таким образом области с различной концентрацией биомолекул, чтобы способствовать дифференцированной структуре ткани.

В качестве базового элемента можно использовать каркасы коллаген-гликозаминогликан (CG) (используя карбодиимид в качестве сшивающего агента, учитывая повсеместное присутствие групп NH2 на их поверхности).

Примером ковалентной иммобилизации может быть конъюгация полиэтиленимина (ПЭИ) с гепарином для создания оболочки с целью повышения биосовместимости поверхностей сплава NiTi [5].

Одним из методов сшивки, который приобретает все большее значение в последние годы, является использование акрилатов для полимеризации гидрогелей ПЭГ. Акрилаты представляют собой функциональные группы, чувствительные к ультрафиолетовому излучению. Эти группы могут быть добавлены к пептидам (или другим факторам роста), направляя таким образом синтез путем фотополимеризации каркасов, состоящих из гибридов полимер-биомолекула. Возможность интеграции этого процесса с 3D-печатью для придания структурного рисунка нашему каркасу делает фотополимеризацию одним из наиболее подходящих методов иммобилизации биомолекул.

Также были разработаны альтернативные процессы фотолитографии, например, Институт межфазной инженерии и биотехнологии Фраунгофера использует метод, который заключается в прикреплении факторов роста к каркасам CG с использованием бензофенона (BP). [6, 7]

Еще одной более селективной мишенью из-за ее меньшей распространенности по сравнению с группой NH2 является группа SH. Сшивающие агенты на основе сульфгидрила широко используются для создания покрытия, которое ингибирует активацию комплемента (очень важного компонента иммунной системы) против нашего трансплантата [8].

Рисунок 3. Пример иммобилизации фермента путем ковалентного связывания Fu J, Reinhold J, Woodbury NW (2011) Модифицированные пептидами поверхности для иммобилизации фермента. PLoS ONE 6(4):e18692. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018692 https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0018692

Выводы

Таким образом, очевидно, что существуют разные стратегии иммобилизации биомолекул на поверхности материала для контроля иммунного ответа или процесса дифференцировки.

Прежде чем выбрать один из методов иммобилизации, важно знать свойства материала, который вы собираетесь использовать, и кривую профиля высвобождения биомолекул, которую вы хотите получить. Наилучшим подходом является сочетание различных методов конъюгации с учетом того, что иммунная система не имеет статической природы. Он показывает динамическое изменение во времени.

В настоящее время широко используется покрытие имплантатов с использованием наноматериалов (или комплексов наноматериалов и биомолекул) для повышения биосовместимости имплантатов. Однако этот факт резко контрастирует со случаем изготовления скаффолдов со стратифицированной концентрацией инкапсулированных или связанных биомолекул. Несмотря на огромный объем деятельности в этой области, сегодня не так много компаний, которые предоставляют эти леса, и еще предстоит принять множество нормативных мер, прежде чем выводить эти продукты на рынок.

Это означает, что нам придется подождать еще немного, чтобы провести полное заживление без рубцов. Но ждать, скорее всего, осталось недолго. Эта многообещающая технология вполне может быть использована в повседневной медицинской практике уже через несколько лет.