НАНОТЕХНОЛОГИИ В ВЫРАЩИВАНИИ ТКАНЕЙ

Нанотехнологии, казавшиеся сами по себе абсолютной фантастикой ещё вчера, сегодня уже не вызывают столь огромного удивления, потому как прочно входят в нашу ежедневную обыденность.

По номенклатуре Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) наночастицы – это объекты, размеры которых, по крайней мере, по одному измерению, не превышают 100 нм. 1 нанометр, в свою очередь, равен одной биллионной части метра. Это величины, которые в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимы с размерами атомов. Сравнительный размер наночастиц показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Сравнительный размер наночастиц

Наноразмерный диапазон позволяет уже привычным материалам проявлять такие уникальные свойства, на разработки которых совсем недавно тратились годы. Например, ионы серебра обладают антисептическими свойствами; а активность раствора наночастиц серебра оценивается гораздо более высоко. Опыты с использованием такого раствора для лечения гнойной раны показывают значительно лучшие результаты, чем при использовании традиционных антисептических средств.

На одном из российских концернов уже сейчас разработана технология производства наночастиц серебра, остающихся стабильными в адсорбированном состоянии и обладающих антимикробными свойствами, при этом требующих совсем незначительные изменения в производстве уже существующих продуктов. Это означает, что очень скоро мы, возможно, будем пользоваться такими востребованными разработками, как антимикробная мебель в больницах, детских образовательных учреждениях; антимикробные поручни в транспорте; антимикробные кредитные карты и многое другое. Кроме того, такие наночастицы можно внедрить в системы фильтрации и очистки воды и воздуха, а значит, есть возможность использовать более чистую и продезинфицированную воду для приготовления пищи и, например, плавания в бассейне, получать свободный от вирусов воздух из кондиционеров.

Но как бы ни были интересны, полезны и востребованы такие разработки, самые ожидаемые прорывы от учёных остаются, конечно, в области медицины. Возможность избавления от смертельных болезней, наряду с продлением молодости, являются необходимостью людей по всему миру.

Одни группы учёных разрабатывают нанопластыри, позволяющие отказаться от инъекций и приёма таблеток – наночастицы с них способны проникнуть сквозь поры кожи напрямую в кровь и доставить необходимые вещества к месту скопления вирусов; другие разрабатывают селективные контрастные агенты на основе наночастиц, позволяющие визуализировать патологические процессы в организме. Но, пожалуй, самый большой интересе представляют те группы учёных, которые работают над созданием нанороботов для коррекции клеточных и молекулярных дефектов в организме. А именно – над созданием искусственно выращенной клеточной ткани, готовой для внедрения в человеческий организм без риска её отвержения.

Мягкие ткани обладают способностью восстанавливаться в довольно короткие сроки, в отличие от твёрдых тканей, регенерация которых природой, к сожалению, не предусмотрена. Более того, человеческий организм устроен так, что любое инородное тело воспринимается им, как враждебное, что существенно затрудняет любые процессы имплантации. По статистике, до 35 % используемых имплантантов отторгается телом пациента, что, конечно, принуждает к повторным операциям, повышенным болям, не говоря о трате времен, сил и денег. Перед учёными стоит задача повысить биосовместимость имплантируемых объектов, создавая их максимально похожими на настоящие костные ткани, и они делают успехи в этой области.

В последних разработках фигурируют импантационные технологии, в составе имплантируемого материала которых наличествует белок, являющийся фактором роста и регенерации костной ткани. Кроме того, создаются имплантанты из металла с поверхностью, удерживающей биопокрытие с белками, максимально приближённой к реальной костной ткани. Соответственно, имплантируемый объект является не только точкой опоры для нарастания вокруг кости, но и сам становится инициирующим этот нарост объектом.

Основой для таких имплантантов служит наноструктурный титан (титан является самым распространённым материалом изготовления имплантов в мире). Для повышения прочности, в теории можно сплавлять его с никелем и другими металлами, но в таком случае сплав может быть токсичен и опасен для организма. Поэтому, чтобы повысить прочность титана, используются нанотехнологии, а именно: изменение структуры металла посредством измельчения его зёрен до наночастиц и уплотнения их (т.н. «дамасская сталь»). Благодаря таким разработкам, изделия для имплантации можно сделать очень тонкими, но невероятно прочными, что очень важно, например, при имплантации дентальной – имплантат большого размера в челюсть вставить нельзя, а т.к. зубы подвержены огромным нагрузкам, он должен быть крайне прочным.

Очень важно, чтобы имплантируемый объект обладал неровной, «шероховатой» поверхностью для более лёгкого нароста внешней костной ткани: клетки должны как бы «зацепиться» за выступы поверхности материала. Для создания такой поверхности используется обработка материала в растворе электролитов, содержащем один из основных компонентов кости – гидроксиапатит. Данный метод называется микродуговым оксидированием. Атомы гидроксиапатита проникают внутрь строения титанового материала, тем самым получается некий градиент, в котором гидроксиапатит постепенно переходит в титан. Это позволяет поверхности стать более прочной и избежать отслойки покрытия при вводе в кость. Для костной ткани материал гидроксиапатит – родной, поэтому она не отторгает вводимый таким способом имплант, что, безусловно, является глобальным достижением на пути к продлению долголетия всего человечества.

Пример действия таких наночастиц: при случившемся костном переломе строительный материал переносится с близлежащих костей в область перелома, где за счёт уникального биоматериала сразу начинается работа по восстановлению тканей. Через некоторое время место перелома может стать более крепким, чем кость была до него!

Для успешного производства факторов роста костной ткани биотехнологами используются бактерии с человеческим геном, которые способны синтезировать белок, сходный с производимым организмом. При попадании в организм такой белок не отторгается, а принимается за «своего», и подлкжит включению в состав кости вместе с собственными белками. Таким образом, нанесённый на поверхность имплантанта композиционный слой выступает в роли приманки для клеток организма, а также как строительный материал для выращивания костной ткани.

Помимо выращивания костной ткани, заслуживает особого внимания разработка учёных из США, которым удалось создать ткань, имитирующую работу слизистой голосовых связок (создающую в своей вибрации человеческую речь). Проблема потери голоса и возможности говорить остро стоит как среди людей, от рождения не обладающих полноценным синтезирующим речь аппаратом, так и среди пациентов, проходивших курс химиотерапии и потерявших голос вследствие воздействия облучения.

Данная ткань была синтезирована учёными вследствие соединения двух типов поверхностных клеток, составляющих ткани связок – эпителиальных и соединительных фибробластов. В ходе эксперимента материал был помещён в трёхмерную матрицу, имитирующую условия организма и всего за две недели клетки образовали сложную структуру, которая очень напоминает настоящие голосовые связки человека. В дальнейшем эксперименте выращенный материал был внедрён в живое тело, и не был отвергнут.

Можно пересадить связки, взятые из донорского тела, но выращивание биоматериала фактически из ничего гораздо более привлекательно, т.к. позволяет создать орган любой формы и размера для каждого индивидуального случая, не требует донора, а также позволяет подготовить материал заранее и сохранить до востребования.

Помимо заинтересованных в успехах наномедицины существуют и её противники. Чаще всего они выступают против развития генной инженерии, ведь изменение ДНК человека непременно повлечёт за собой трансформации в человеческом организме, к которым эволюция готовилась сотни лет, а это может плохо сказаться на судьбе человечества в целом. Однако учёные смотрят на такие изменения позитивно, объясняя, что посредством современных разработок можно исключить смертельные болезни и тяжёлые заболевания, а также значительно облегчить их течение и приблизить время выздоровления.

К сожалению, для полноценного развития наномедицины в России не хватает поддержки государства (до сих пор не существует государственной программы по её развитию), а также специалистов (несмотря на обратную, по сравнению с 90ми ситуацию, когда было много специалистов, но мало условий для их работы). По большей части, все разработки отечественных учёных в области нанобиологии ведутся или в частных институтах, или поддерживаются чистым энтузиазмом. Несмотря на это, прогресс не остановить, и остаётся только ждать, какие ещё чудеса привнесёт наука в нашу жизнь.

Список литературы:

1. Абаева Ф., Шумский В.И., Петрицкая Е.Н., Рогаткин Д.А., Любченко П.Н.: Наночастицы и нанотехнологии в медицине сегодня и завтра – 2010
2. Ткачук В.А.: Стволовые клетки и регенеративная медицина. – 2014
3. Искусственные голосовые связки впервые выращены в лаборатории [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/news/2015/iskusstvennye-golosovye-svyazki-vpervye-vyrashcheny-v-laboratorii (дата обращения: 21.06.18)
4. Костные нанотехнологии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/kostnye-nanotekhnologii (дата обращения: 21.06.18)
5. What is nanomedicine, and how can it improve childhood cancer treatment? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://phys.org/news/2017-05-nanomedicine-childhood-cancer-treatment.html