Ученые разработали саморазлагающееся биосовместимое покрытие для костных имплантатов, способное медленно высвобождать в окружающие ткани противоопухолевый препарат. Благодаря этому предложенное покрытие можно использовать для предотвращения рецидивов рака кости, чтобы частично заменить общую химиотерапию, негативно сказывающуюся практически на всех органах человека.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials Today Communications.
Обычно для лечения рака кости опухоли удаляют хирургическим путем, устанавливая на место пораженной ткани титановый имплантат. Затем пациентам проводят химиотерапию, чтобы предотвратить рецидив болезни. Однако прием сильнодействующих противоопухолевых препаратов приводит к большому количеству побочных эффектов: слабости, выпадению волос, нарушению работы пищеварительной системы, почек и сердца. Чтобы избежать этого, ученые создают костные имплантаты, которые бы не просто заместили утраченную ткань, но и доставляли бы лекарства напрямую в кость.
Исследователи из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) разработали покрытие для костных имплантатов, которое после протезирования медленно высвобождает противоопухолевый препарат в окружающие ткани.
За основу авторы взяли кальций-фосфатный цемент — пористый материал, по химическому составу очень близкий к естественной костной ткани, а потому биосовместимый. Его нанесли электрохимическим методом с ультразвуком на поверхность титановой пластины, которая имитировала используемый в клинической практике имплантат. После этого в пористое кальций-фосфатный покрытие «загрузили» раствор противоопухолевого препарата 5-фторурацила, который широко применяется для лечения онкологических заболеваний. Образцы высушили на воздухе, благодаря чему лишняя жидкость испарилась, а действующее вещество — 5-фторурацил — осело в порах кальций-фосфатного цемента.
Модельные имплантаты-носители химиопрепарата. Источник: Екатерина Комарова.
Затем исследователи нанесли еще один слой покрытия, который должен был предотвратить слишком быстрое высвобождение препарата из пор и тем самым обеспечить продолжительный эффект лечения. В качестве такого защитного слоя ученые выбрали синтетический биосовместимый и биоразлагаемый полимер из молекул молочной и гликолевой кислот. Такой материал удобен тем, что, попадая в организм, он медленно (от нескольких недель до нескольких месяцев в зависимости от соотношения кислот в составе) разлагается. Благодаря этому по мере его распада из нижележащего кальций-фосфатного слоя будет постепенно выделяться противоопухолевый препарат.
Скорость высвобождения препарата из покрытия исследователи оценили, поместив образец в раствор, имитирующий биологическую жидкость организма человека. Оказалось, что лекарство высвобождается из покрытия постепенно: по прошествии первых трех суток в раствор вышло 72% использованного препарата, а на пятый день — 100%. Для сравнения, образец, в котором не было защитного полимерного покрытия, «выпустил» все лекарство всего за 2–4 часа.
Поперечный разрез покрытия, состоящего из фосфата кальция и полимерного слоя. Источник: Екатерина Комарова.
Также авторы проверили, как полученные покрытия влияют на жизнеспособность опухолевых клеток и здоровых фибробластов — клеток соединительной ткани, которые часто окружают кости в организме человека. Оказалось, что спустя сутки пребывания на поверхности материала у всех клеток снизилась жизнеспособность. Так, покрытие с противоопухолевым препаратом привело к гибели 61% клеток рака шейки матки, 46% клеток рака молочной железы и 52% фибробластов.
Причина такого неизбирательного токсического эффекта заключается в том, что само по себе лекарство, заключенное в покрытие, губительно для любых линий клеток. Именно поэтому его внутривенное введение в ходе обычной химиотерапии вызывает серьезные побочные эффекты. Если же доставлять 5-фторурацил точечно в костную ткань с помощью предложенного подхода, лекарство по-прежнему будет подавлять жизнедеятельность не только опухолевых, но и здоровых клеток, но его влияние на последние будет значительно меньше, чем при общем приеме химиопрепаратов.
Микрофотография клеток, нанесенных на исследованное покрытие, спустя 24 часа эксперимента. Источник: Екатерина Комарова.
Мы предложили многообещающую стратегию создания костных имплантатов, с помощью которых можно локализовано и контролируемо доставлять лекарственные средства в костную ткань. Если вместо противоопухолевого препарата, протестированного нами, в покрытие «загрузить» другие лекарства, можно будет использовать их не только при лечении рака, но и в других сферах, например, в травматологии и зубном протезировании. В дальнейшем мы как раз планируем использовать другие препараты, например, антибиотики, а также модифицировать технологию их «загрузки», чтобы увеличить сроки выхода препарата в окружающие ткани до одного месяца — это позволит полностью исключить общий прием лекарств.
- Екатерина Комарова, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН
Изображения: пресс-служба Российского научного фонда
Нет комментариев