Наноматериалы для передовых регенеративных терапий

Кто не видел фильмов, где герой регенерирует после пули или ножа? Пример — Вульверрин. Хотя мы далеко от такого уровня, именно фантазии часто движут наукой, и, возможно, скоро это станет реальностью.

Большой шаг — создание искусственных тканей для замены потерянных или нефункциональных, например, титановых протезов. Но чтобы достичь уровняMarvel-персонажей, нужны новые технологии, и мы уже на пути.

Ученые разработали стратегию, помогающую организму регенерировать собственные ткани с помощью наноматериалов для контроля роста клеток, иммунного ответа и ремоделирования тканей.

Это захватывающая область — регенеративная медицина.

Расскажу подробнее!

Какое отношение наноматериалы имеют к регенеративной медицине?

В статье «Продвинутые магнитные наночастицы для диагностики и лечения рака» мы видели: когда материал уменьшают до наномасштаба, он приобретает радикально новые свойства. Наука ежедневно находит им применение.

Одно из величайших обещаний наноматериалов — способность «модулировать» иммунный ответ, соединяя их с человеческими биомолекулами (антитела, цитокины, гормоны и т.д.).

Что означает эта «модуляция»?

Управление иммунным ответом

Иммунная система — армия организма. Солдаты не только атакуют, но и поддерживают: обновляют ткани после травм, устраняют токсины и чужеродные вещества.

Этот контроль оркестрируют бесчисленные биомолекулы (цитокины, интерлейкины, гормоны), чья концентрация сигнализирует клеткам, как вести себя.

Когда имплантируют искусственный материал (например, для покрытия ожога), желательно, чтобы он интегрировался в организм: клетки пациента колонизировали и выросли в материал, в конечном итоге заменив его собственной тканью.

К сожалению, иммунная система часто распознает материал как чужеродный и изолирует его волокнистой соединительной тканью — фиброзом. Это ткань, бедная клетками, но богатая макромолекулами (коллаген, фибрин), структурно отличающаяся от исходной. У многих шрамы ощущаются жестче нормальной кожи, а шов в суставе может ограничивать движение.

Рисунок 1. Гипертрофический шов с контрактурой сустава. Aarabi S et al. (2007) PLoS Med 4(9): e234

В статье «От PLA до биопечати: фантастические инструменты для медицины» описывалась стратегия борьбы с отторжением: использовать биоматериалы для создания скелетов (поддерживающих структур для колонизации клетками) из коллагена. Но если имплантировать скелет только из коллагена, организм ресорбирует его, заменяя фиброзом.

Это может быть полезно для создания «искусственного шва», например, при восстановлении брюшной стенки после грыжи — можно использовать сетку Phasix™ из поли-4-гидроксибутирата (P4HB).

Для функциональной интеграции импланта нужно направлять дифференцировку клеток (задавать им тип и функцию) и предотвращать отторжение иммунной системой. Наноматериалы могут выступать «перевозчиками» для доставки биомолекул и сигналов, управляющих этим процессом.

А что, если мы сможем иммобилизовать или направить эти биомолекулы в любую точку?

Сможем ли мы контролировать иммунную систему?

Например, комбинация наноматериалов и антител усиливает иммунный ответ (антител-модифицированные оксиды железа против рака).

Некоторые наноматериалы сами по себе имеют прямой ингибирующий или стимулирующий эффект на иммунный ответ (благородные металлы, оксиды металлов, оксид церия, дендримеры). Просто покрыв поверхность импланта такими наночастицами, можно остановить атаку иммунной системы на него [1].

Рисунок 2. Наноматериалы с прямым иммуносупрессивным эффектом. Ngobili Terrika A, Daniele Michael A. (2016) Experimental Biology and Medicine

Стратегии иммобилизации наноматериалов и биомолекул на поверхности импланта

Две основные причины покрывать поверхность импланта: повысить биосовместимость (защитить от атаки иммунной системы) или закрепить биомолекулы, стимулирующие и направляющие пролиферацию клеток (чтобы заменить имплант собственной тканью пациента).

Идея имплантации биоразлагаемого скелета (покрытого факторами роста), который со временем заменяется тканью пациента, уже обсуждалась в «От PLA до биопечати». Такие скелеты всё еще на стадии исследований, но через несколько лет могут войти в клиническую практику.

Повышение биосовместимости чужеродных материалов — острая необходимость индустрии. Чтобы организм не отверг имплантированный биоматериал, нужно «приклеить» покрытие (наноматериалы или комплексы наноматериал-биомолекула), регулирующее иммунную систему, к поверхности импланта. Тогда, когда иммунная клетка приблизится, покрытие ингибирует её, предотвращая воспаление.

Но как создать такое покрытие?

Существует два основных способа «приклеить» покрытие: нековалентная и ковалентная иммобилизация.

Нековалентная иммобилизация (НКИ)

НКИ — самый простой и дешевый способ покрытия, но сильно зависит от гидрофильности материала импланта. Основана на электростатических зарядах, создающих силу притяжения между имплантом и покрытием.

Обеспечивает быстрый релиз биомолекул, удобен для резкого, но кратковременного ответа. Главное преимущество — низкая стоимость производства.

НКИ применяется адсорбцией (частицы 500 Å – 1 мкм прилипают к поверхности) или энкапсуляцией (частицы заключают в пористую матрицу) [2].

При энкапсуляции матрицу делают из водорастворимых полимеров: каррагенин, частично гидролизованный коллаген (желатин), альгинат, агар, триацетат целлюлозы [2, 3].

Что делать, если имплант гидрофилен, а биомолекула гидрофобна (или наоборот)?

Простое и эффективное решение: инкапсуляция биомолекулы!

Инкапсуляция — помещение биомолекулы в оболочку, легко осуществляется полимерами: агароza, поли(этиленгликоль) (PEG), поли(N-винилпирролидон) (PVP).

Пример: полисульфоновый скелет, заполненный агарозным гелем с биомолекулами, для регенерации нервных волокон и снижения воспаления [4].

Если скелет недостаточно гидрофилен, лучшая стратегия — инкапсуляция в отдельную водную фазу через двойную эмульсию (water-in-oil-in-water). Также можно использовать прямое адсорбционное насыщение поверхности в органических растворителях.

Пример гидрофобного полимера для иммобилизации гормональных факторов или лекарств — поли(лактид-ко-гликолид) (PLGA).

Ковалентная иммобилизация (КИ)

Ковалентная иммобилизация создает необратимую связь между биомолекулами и полимером импланта с помощью кросслинкеров — химических соединений, реагирующих на физическое воздействие (тепло, свет) и создающих связь между полимерными цепями (как шакли, замыкаемые светом/теплом).

Этот метод дает менее резкий, но длительный эффект на иммунную систему, предпочтителен для долгосрочной стабильной реакции.

Главное преимущество — возможность стратифицированной тканевой дифференцировки. Можно спроектировать разные точки связи для разных факторов, создавая зоны с разной концентрацией биомолекул для формирования дифференцированной ткани.

Базовый элемент — скелеты коллаген-глюкозаминогликан (CG) (в качестве кросслинкера карбодиимид, учитывая повсеместность NH2-групп на поверхности).

Пример: конъюгация полиэтиленимина (PEI) с гепарином для создания оболочки, повышающей биосовместимость поверхностей сплава NiTi [5].

Метод кросслинкинга, набирающий популярность — использование акрилатов для полимеризации гидрогелей PEG. Акрилаты — функциональные группы, чувствительные к УФ-свету. Их можно добавить к пептидам (факторам роста), управляя фото полимеризацией скелетов из гибридов полимер-биомолекула. Возможность интеграции с 3D-печатью для задания структурного узора делает фото полимеризацию одним из самых релевантных методов иммобилизации.

Альтернативные фотолитографические процессы: институт Fraunhofer использует метод прикрепления факторов роста к CG-скелетам с бензофеноном (BP) [6, 7].

Более селективная мишень — SH-группа (менее повсеместна, чем NH2). Сульфгидрил-кросслинкеры широко применяются для создания покрытия, ингибирующего активацию комплемента (важного компонента иммунной системы) против импланта [8].

Рисунок 3. Пример ковалентной иммобилизации фермента. Fu J et al. (2011) PLoS ONE 6(4): e18692

Заключение

Существует несколько стратегий иммобилизации биомолекул на поверхности материала для контроля иммунного ответа или дифференцировки.

Перед выбором метода важно знать свойства материала и желаемый профиль релиза биомолекул. Лучший подход — комбинация разных методов конъюгации, учитывая динамичность иммунной системы.

Покрытие имплантов наноматериалами (или комплексами) для повышения биосовместимости уже широко используется. Однако создание скелетов со стратифицированной концентрацией инкапсулированных или связанных биомолекул отстает. Несмотря на бурную активность, немного компаний предлагают такие скелеты, и множество регуляторных вопросов остаются нерешенными перед выходом на рынок.

Полное заживление без швов придется подождать, но, скорее всего, недолго. Эта перспективная технология может войти в ежедневную медицинскую практику уже через несколько лет.