Упакованные в маленькие камеры лекарства ускорят заживление ран

Ученые создали уникальный материал для лечения ран, в основе которого лежит система из полимерных микрокамер. Такие структуры медленно высвобождают заключенные в них биологически активные вещества в поврежденную ткань, благодаря чему ускоряют ее заживление и снижают объем шрама. Разработка открывает путь к персонализированному лечению сложных повреждений и хронических ран, поскольку позволит врачам корректировать биохимические процессы в ткани в зависимости от стадии заживления и особенностей состояния пациента. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Materials Today.

Регенерация тканей — это сложный многофакторный биохимический механизм, который требует точного баланса и правильной концентрации различных химических веществ для успешного восстановления поврежденных структур. Один из важных факторов заживления ран — окислительно-восстановительный баланс в тканях. Так, в здоровом организме сильные окислители — активные формы кислорода, например перекись и гидроксил-радикал, — обеспечивают антимикробную защиту и выполняют важные регуляторные функции: они стимулируют деление клеток, выделение коллагена и способствуют росту сосудов в поврежденном участке кожи. Однако при хронических заболеваниях, таких как диабет или патологии кровеносной системы, баланс окислительных процессов нарушается. В избытке активные формы кислорода повреждают клеточные структуры (мембраны, ДНК и белки), замедляют восстановление ткани и усиливают рубцевание. Недостаточный уровень окислительных процессов также негативно влияет на заживление, снижая антимикробную защиту и нарушая клеточный метаболизм, то есть обмен веществ. Современные методы лечения ран, включая антисептические повязки и гидрогели, хотя и частично ускоряют заживление, не позволяют точно поддерживать окислительно-восстановительный баланс в раневой среде. Более того, роль активных форм кислорода на разных стадиях заживления меняется, что усложняет задачу создания оптимальной среды. Поэтому нужны новые способы ухода за ранами на протяжении всего процесса восстановления.

Ученые из Научно-исследовательского центра LIFT (Москва) с коллегами разработали раневое покрытие, которое контролируемо высвобождает сверхмалые, но терапевтически эффективные дозы биоактивных веществ в раневую полость, благодаря чему поддерживает требуемую концентрацию тех или иных соединений. В частности, авторы показали это на примере окислительных агентов.

В исследовании принимали участие сотрудники Сколтеха, Саратовского государственного медицинского университета имени В.И. Разумовского (Саратов), Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова (Москва) и Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов). Кандидат физико-математических наук, профессор Сколтеха, научный директор Научно-исследовательского центра LIFT, грантополучатель РНФ Глеб Сухоруков отметил: «Говоря о покрытиях для терапевтических целей, научное и медицинское сообщества сталкиваются с проблемой длительного удержания молекул. Наша научная группа долго ломала голову и в итоге разработала технологию микрокамер, в которых вещество действительно удерживается длительное время. Преимущество состоит в том, что лекарственный препарат фиксируется внутри капсул в полимерной пленке, позволяя последовательно высвобождать его в ране. Мы рассчитываем, что меньше чем через три года внедрим эту технологию в медицинскую практику. На первом этапе удалось показать, что она не наносит вреда. Следующий шаг — доказать наличие статистически значимого терапевтического эффекта. Думаю, в течение 1–2 лет мы сможем это подтвердить».

За основу исследователи взяли биоразлагаемый полимер, который должен постепенно разрушаться в ране, высвобождая препараты. Из этого материала они сформировали высокоупорядоченные массивы камер, в которые «загрузили» одно из биоактивных веществ — дубильную кислоту или перкарбонат натрия. Первое соединение представляет собой природный антиоксидант, уменьшающий воспаление. Второе служит источником перекиси водорода — окислителя, стимулирующего рост сосудов и подавляющего активность бактерий. Эти вещества авторы использовали по отдельности друг от друга (в разных повязках), чтобы точно установить эффект каждого из них.

В качестве «поддерживающего» материала и поверхности, которая должна непосредственно контактировать с раной, исследователи использовали тонкую функциональную пленку гидрогеля на основе желатина, глицерина и аминокапроновой кислоты. Такая комбинация веществ придала материалу кровеостанавливающие свойства, обеспечила его эластичность материала, способность удерживать влагу и надежное сцепление с живыми тканями.

Лабораторные испытания подтвердили, что разработанная система медленно — в течение 3–4 дней — высвобождает из камер биоактивные вещества. Авторы подчеркивают, что скорость этого процесса можно настраивать в широких пределах, изменяя состав или толщину полимерной оболочки микрокамер.

Чтобы проверить биосовместимость материала, ученые поместили на его поверхность клетки соединительной ткани — фибробласты. В таких условиях клетки активно размножались и сохраняли нормальную жизнеспособность. Более того, фибробласты проникли даже в полость микрокамер и сформировали трехмерную структуру, что говорит о благоприятных условиях для заживления.

Затем исследователи протестировали материал на лабораторных крысах с искусственно созданными ранами. Разработанные покрытия — как с дубильной кислотой, так и с перкарбонатом натрия, — помещенные на поврежденную кожу, значительно ускорили заживление. Так, на седьмой день эксперимента площадь ран, покрытых микрокамерным материалом, была почти вдвое меньше размера ран без лечения.

Однако механизм работы материалов с разными биоактивными веществами отличался. Так, покрытие с дубильной кислотой ускоряло восстановление ткани за счет уменьшения окислительного стресса и воспаления, а покрытие с перкарбонатом натрия — благодаря ускорению роста сосудов и антимикробному эффекту.

Кроме того, авторы показали возможность построения иерархичной системы с каскадным высвобождением различных веществ. Таким образом, конфигурацию материала можно будет подбирать индивидуально для пациентов в зависимости от типа раны и стадии заживления. Например, на первой неделе заживления удастся обеспечить доставку окислительных агентов для стимулирования образования сосудистой сетки, на второй неделе — антиоксиданта для снижения воспалительных процессов. То же самое можно реализовать с другими биоактивными веществами для коррекции раневого процесса, включая факторы роста и сигнальные молекулы.

«Предложенное покрытие позволяет ускорить заживление ран и значительно снизить образование рубцовой ткани, тем самым обеспечивая более эстетичный и быстрый результат по сравнению с существующими методами лечения. Особенно это касается хронических ран, отягощенных сопутствующими состояниями, например, диабетом. Поэтому разработка потенциально поможет повысить качество жизни пациентов, сократить затраты на терапию и снизить риск осложнений. В дальнейшем мы планируем адаптировать эту систему для более сложных повреждений, где факторы рубцевания и скорости заживления особенно важны, в частности, в случае повреждения нервных тканей и спинного мозга. В сегодняшней реальности, когда людей с тяжелыми ранами мы видим больше, чем когда-либо в ХХI веке, крайне важно находить способы оказания им помощи», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Ермаков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра LIFT.