Архив:

Нанотехнологии в имплантатах

Современные технологии таковы, что их даже сложными не назовешь — они скорее странны, по крайней мере на взгляд постороннего человека. Приземленная задача — сделать имплантируемый протез. Однако ученые из ГУ НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи изобретают принципиально новый имплантат. В нем используют и титан, специально изготовленный на авиационном заводе, и факторы роста стволовых клеток, подготовленных с применением последних разработок молекулярной биологии, генной инженерии и наноструктурной сборки на поверхностях.

Вывернутые суставы, торчащие из разорванных мышц осколки кости, удар в позвоночник — и неподвижность, часто кровь, иногда инвалидность и всегда — боль. Все это характерные признаки перелома костей — основы человеческого организма. Хорошо, если лечение перелома ограничивается гипсом на месяц-другой. Хуже, если нужна имплантация протеза. Совсем плохо, если этот протез, как правило титановый, отторгается и врачи, покачав умными головами, говорят: «Вам, батенька, нужна повторная операция». Это как минимум очень больно, пишет sunhome.ru

Придумать, как заживить кость быстро и по возможности безболезненно, — задача современных технологий.

Важен не размер

У него гладкий череп, крепкая шея, основательные размеры, очень серьезные глаза и хорошая улыбка. Владимир Лунин — завлаб, руководитель проекта, без пяти минут лауреат и так далее. Он сидит напротив меня, через стол, я собираюсь задать ему неудобный вопрос и потому говорю крайне неуверенно:

— Ваша лаборатория ведь называется… э-э-э… В общем, там есть слово «нано»…

— Биологически активных наноструктур, — подсказывает он.

— Ну да… Так вот, сейчас это как-то неприлично звучит. Считается, что нанотехнологи… такие… жулики от науки. Вам самому-то как?

Почему я задал этот вопрос? Под нанотехнологиями в последнее время понимают любые исследования всего, что маленькое. Биотехнологи вдруг стали нанобиотехнологами, материаловеды — наноматериаловедами, даже нанокосметика появилась, а отдельные авторы поговаривают о наносапиенсах. А еще появилась госкорпорация «Роснано» с бюджетом в 130 млрд рублей, которые не тратятся, а уже больше года лежат на счетах в целях сохранения для одобренных проектов. За год, кстати, эта корпорация утвердила всего два проекта, что мне лично дает повод сомневаться в разрекламированной эффективности и будущем расцвете российской наноиндустрии, что бы это слово ни означало. Я — и не я один — подозреваю, что слово «нано» вброшено в российскую экономическую действительность специально для того, чтобы было непонятно, куда исчезнут деньги. Именно поэтому я с недоверием отношусь к любой организации, использующей префикс «нано». Нет, ну в самом деле!..

С другой стороны, Лунин мне симпатичен, вот и получается, что вопрос — неудобный.

Но он молодец, вопрос принимает серьезно и так же серьезно отвечает:

— Понимаете, важны критерии отбора. С одной стороны, любой белок — это 10 нанометров, а вирусная частица — допустим, 40. Но размер не единственный критерий. Нанопродукт — это продукт, который самособирается. Вы скажете: а что тут сложного? Любой живой организм — это наноструктуры: на нижнем уровне из молекул создаются органеллы, из органелл — клетки, из клеток собирается человек. Но для нанотехнолога важно уметь контролировать эти процессы.

Составные части

Титановые пластинки размером с ноготь расфасованы в пластиковые пакетики. Перед началом эксперимента их нужно стерилизовать — сначала ультразвуком, а затем высокой температурой в автоклаве. Потом пластинку покрывают композитным материалом — этим и занят сейчас Александр Семихин, младший научный сотрудник и аспирант лаборатории Лунина.

— Мы подготавливаем пластинки — экспериментальный прообраз протеза, применяемого при переломах. Чтобы посмотреть, с какой скоростью они зарастают клетками, — говорит он, выдавливая из шприца суспензию, цветом и плотностью напоминающую зубную пасту.

Саша тонким слоем размазывает кашицу по титану и оставляет пластинку сушиться. Когда раствор высохнет, пластинку положат в чашку Петри со стволовыми клетками, которые должны будут прикрепиться к поверхности, размножиться и стать костной тканью. Причем проделать все это они должны быстрее, чем на обычной титановой пластинке, композитом не покрытой.

Впрочем, слово «обычный» здесь тоже не совсем правильно, поскольку одной из «фишек» проекта является наноструктурный титан. Делает его Уфимский государственный авиационный университет по технологии дамасской стали, каковую, как известно, долго куют. Правда, здесь не куют, а волочат и прокатывают, но суть та же: после протяжки зерна металла уменьшаются до 100–300 нанометров, а его прочность возрастает в два с половиной раза. Затем поверхность обрабатывают так, чтобы она стала шероховатой.

— Вот это — просто полировка, — говорит Семихин, выведя на монитор электронную фотографию поверхности титана, — а эти снимки — разная обработка: кислотой, песком. Видите, рельеф всюду разный. Мы экспериментально подобрали три варианта, на которых клетки лучше растут… Ну, что вам еще показать?..

Попадание в лабораторию, которая работает со знаниями из десятка областей науки, тяжело ложится на неподготовленную душу. Через некоторое время начинаешь чувствовать себя тараканом внутри лампового приемника — много затейливых конструкций, назначение которых и связь с общим замыслом скрыты от ума так же, как и сам общий замысел.

— Зачем ваш проект нужен? — спросил я у Владимира Лунина.

— Общество у нас стареет и чаще «ломается». С другой стороны, молодежь стала больше страдать остеопорозами, повреждениями костной ткани. Не знаю, чем это вызвано, — может быть, стали пить много газировки, а углекислота вымывает кальций. Так вот, при переломах требуется протезирование, очень болезненные процедуры. Приблизительно двадцать пять процентов имплантатов отторгается — нужна повторная операция, что, сами понимаете, еще мучительнее.

Лучшим материалом для имплантации считается титан: он биосовместимый и прочный. Но все равно протез — это кусок тяжелого металла, который засовывают внутрь живого организма. Наноструктурный титан прочнее обычного, поэтому имплантаты из него весят меньше и меньше повреждают кость.

Природа устроила так, что к месту перелома мигрируют стволовые клетки, постепенно формируя там новую костную ткань. В случае с протезом ткань должна нарастать поверх титана, но делает она это довольно плохо, поскольку в своей эволюции никогда с титаном не сталкивалась.

Цель лунинского проекта — «научить» клетки принимать металл как естественную кость. Для этого делается правильный рельеф с двумя видами впадинок. В макрорельефе впадинки имеют размер 10–100 микрон, чтобы клетка легла туда, как шарик в лунку, в микрорельефе — нанометровые, чтобы клетка могла запустить свои отростки и закрепиться.

Затем этот рельеф покрывают тем самым композитным материалом. Композит по составу похож на наши кости — коллаген и гидроксилапатит (соединение кальция).

— Проблемой было придумать клей, чтобы композит держался на титане, — говорит Александр. — Мы брали пластинки, наносили раствор, а потом помещали в воду и ставили на качалку. В первых опытах у нас через час все смывалось — в воде, а теперь помещаем на неделю в сыворотку крови — а ведь это очень агрессивная среда, — и ничего, держится.

Лунин говорит, что это первое ноу-хау лаборатории — придумать, как приклеить композит к протезу.

Но главное ноу-хау, конечно, другое — факторы роста стволовых клеток.

Стволовые клетки могут превращаться в любую ткань любого органа. И мечта медиков — с их помощью обновлять попорченные жизнью части организма. Например, лечить рубец от инфаркта, заживлять ожоги, восстанавливать островковые клетки, производящие инсулин, и так далее. Здесь есть два пути. Первый — изъять стволовые клетки человека, размножить их в пробирке, а потом опять вколоть в поврежденные ткани. Второй путь — активировать и привлечь собственные стволовые клетки организма. Для этого применяют так называемые факторы роста, по химической природе — белки.

Фактор роста

В комнате, где работает Зоя Галушкина, вкусно пахнет агаром. Вообще, если в генно-инженерной лаборатории нигде нет запаха разогретых питательных сред, значит, работа стоит. В старых институтах этот запах за десятки лет въелся в стены и присутствует повсюду, начиная с вестибюля.

Зоя Михайловна высевает бактерии для выращивания в больших количествах — процедура, известная, наверное, еще со времен Пастера: прокаливаем на горелке проволочную петлю, делаем мазок по бактериальной колонии в чашке Петри, опускаем петлю в колбу с питательной средой. Колбу ставим на механическую качалку при температуре 37°C, где она сутки будет качаться, среда — перемешиваться, а бактерии — размножаться. Вместе с бактериями будет размножаться и встроенный в них ген фактора роста человеческих клеток. Благодаря этому гену бактерии начнут синтезировать фактор. Фактически мы используем бактерии как фабрики биологических веществ.

Факторы роста организм вырабатывает для того, чтобы в нужном органе из стволовых клеток выросла нужная ткань. Сейчас известны десятки факторов, но в медицине применяются очень немногие.

В проекте лаборатории предполагается использовать несколько видов факторов. Первые будут привлекать стволовые клетки к поврежденному месту. Вторые — стимулировать их к закреплению на поверхности протеза. Третьи необходимы для роста клеток. Четвертые — и самые важные — это факторы дифференцировки, те, что «убеждают» стволовые клетки трансформироваться в костную ткань. А для того чтобы уже эти клетки костной ткани размножались, на протез наносится костный морфогенетический протеин.

— И как вы собираетесь все это в одно целое увязывать? — спросил я у Владимира Лунина.

— Это правильный вопрос. Знаете, ведь ростовые факторы уже пытались использовать для заживления, но результаты получались не очень хорошие. Дело в том, что эти молекулы быстро вымываются: они малых размеров. А нам нужно, чтобы одни из них вымывались быстро, а другие прочно сидели на поверхности протеза. Но это как раз по профилю лаборатории — мы умеем разными способами «связывать» белки с различными веществами. В составе композита факторы будут держаться столько времени, сколько нужно для заживления.

Спасибо медузам

Под бинокуляром микроскопа ярко-зеленым светом флуоресцируют эмбриональные клетки почечного эпителия. Красота нереальная — спасибо зеленому флуоресцирующему белку, или, по-простому — GFP, который вырабатывают медузы вида Aequorea victoria. Впрочем, с тех пор как его приспособили для нужд клеточной биологии, гены этого белка размножают внутри бактерий. Потом вставляют в нужные клетки, а по свечению белка смотрят, что с этими клетками происходит. Вот как я сейчас наблюдаю результат опыта по привлечению человеческих клеток на шарики, покрытые факторами роста.

— Помещаем образец под микроскоп, убираем обычную подсветку, оставляем ультрафиолет, — объясняет Амир Тухватулин, младший научный сотрудник, аспирант лаборатории молекулярной биотехнологии. — Светятся только клетки, которые несут в себе GFP. Видите?

Затем так же здесь будут проверять, насколько уютно себя чувствуют клетки на титановых плас­тинках с покрытием. Говорят, когда клетка только садится на поверхность, она выглядит как шарик, а когда приживется — распластывается.

Лаборатория молекулярной биологии находится в том же здании института, что и лаборатория биологически активных наноструктур.

— Проектом занимается только ваш институт? — задаю вопрос, разумеется, Лунину, когда мы возвращаемся в его кабинет.

— Семь только официальных соисполнителей! В одном месте титан обрабатывают, в другом — делают протезы для челюстно-лицевой хирургии, в третьем — коллаген, в четвертом — ставят опыты на крысах…

— А финансирование? Это же дорого, наверное?

— Нам выделили сто сорок миллионов рублей на три года. Система сейчас как устроена? Каждый год Министерство образования и науки собирает заявки от тех, кто хочет сформулировать конкурсные лоты. Те заявки, которые нравятся экспертам и чиновникам, проходят. Не все, конечно, так хорошо и объективно, но объективность есть: те лоты, которые решают какие-то задачи страны, имеют шансы. Начинается открытый конкурс. Тот, кто формулирует лот, выигрывает с большей вероятностью, но не со стопроцентной. И в случае с имплантатами, кстати, мы, написав заявку, попали лоб в лоб с той организацией, которая формулировала лот. Проекты оказались по силам равные и оба очень интересные. У нас сильная биологическая часть, у них — металлическая. В конце концов дали финансирование обеим программам, записав нас друг к другу в соисполнители.

…За окном кабинета на газончики института имени Гамалеи падают белые кристаллы — продукт природных нанотехнологий, описанный еще Кеплером в трактате «О шестиугольных снежинках». Лунин рассказывает мне, что уже через два года его лаборатория должна произвести полноценный продукт, готовый к применению. Должно быть организовано производство компонентной базы и конечного препарата, пройден первый этап клинических испытаний. А в перспективе — использование тех же технологий не только в имплантатах, но и, допустим, для обкалывания шейки бедра пожилым людям — для укрепления костей.

Если смотреть шире, то управление ростовыми факторами в медицине — один из путей почти любой терапии. Разумеется, не единственный, а в комплексе с еще не придуманными технологиями. Вторая природа уже догнала по сложности первую и свои шестиугольные снежинки умеет собирать ничуть не хуже.

Источник: e-news.com.ua

ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ