Российский биополимер поможет восстановить то, что сломано.
В последние годы в связи с рос-том травм костей, а также с уходом с российского рынка ряда зарубежных компаний, производящих необходимые материалы, потребность в отечественных аналогах для регенерации костной ткани серьезно возрастает. В этой сфере успешно работают российские биологи, создавая вещества, которые помогут восстановиться пациентам с различными переломами и дефектами костей. Об этих исследованиях «Поиску» рассказал руководитель группы медицинских биополимеров кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова Антон БОНАРЦЕВ (на снимке).
– Недавно в СМИ появилась информация, что биологи МГУ научились влиять на регенерацию костной ткани с помощью магнитного поля. Что имеется в виду?
– Это направление - часть большой работы, связанной с созданием биоразлагаемых материалов для восстановления тканей, в частности, костных. Изначально мы решили на основе полилактидов создать аналоги уже известных продуктов для регенерации костей. Однако у них есть серьезный недостаток: при их рассасывании образуется молочная кислота (как побочный продукт биодеградации), которая может вызывать хроническое воспаление, препятствующее сращиванию костей. Этот продукт долго использовался, и только со временем обнаружилось, что есть большой процент побочных явлений, в том числе закисление внутри кости, которое тоже мешает сращиванию.
Наш материал - биоразлагаемый полимер поли-3-оксибутират - получен путем бактериального биосинтеза с использованием штаммов бактерий-продуцентов из рода Azotobacter. Этот полимер накапливается в бактериальных клетках как запасное вещество - аналогично тому, как энергия запасается в жире у животных. Внутри бактерии он аморфный, жироподобный, а после выделения становится твердым, как кость.
Промежуточным продуктом биодеградации поли-3-оксибутирата является 3-гидроксимасляная кислота, которая отрицательных побочных эффектов не вызывает. И, конечно, первая мысль, которая нам пришла в голову, - это изготовить винты и пластины из него для регенерации и сращивания костей.
– Насколько я знаю, на практике для этого используются металлические изделия.
– Верно, обычно для фиксации костей применяют пластины и винты из титана. Однако после сращивания их приходится удалять, что требует дополнительной операции. Мы предложили использовать биоразлагаемые материалы, которые рассасываются в организме. Однако наш полимер, хотя и биосовместим, не обладает достаточной механической прочностью для замены металла. Поэтому в итоге мы сосредоточились на создании материалов, которые активно способствуют регенерации тканей, а не просто фиксируют их.
В итоге мы разработали два типа: пористые микрочастицы и матриксы. Микрочастицы - это простой и технологичный продукт, который можно легко коммерциализировать. Матриксы же представляют собой более сложные структуры, которые лучше подходят для культивирования клеток in vitro.
Оказалось, что можно получать полимеры с заданными физико-химическими свойствами. И, кроме того, из поли-3-оксибутирата можно делать различные композиты с другими полимерами и неорганическими материалами.
Совместно с нашими коллегами из Томского политехнического университета (группа профессора Романа Сурменева) мы получили композиты этого материала с магнитными наночастицами, а из них изготовили волокнистые матриксы, полученные методом электроспиннинга.
– Как магнитные свойства связаны с регенерацией костной ткани?
– Мы обнаружили, что поли-3-оксибутират и его сополимеры обладают пьезоэлектрическими свойствами. То есть при механическом воздействии на поверхности материала возникает электрическое поле, которое стимулирует рост клеток и регенерацию тканей. Мы решили усилить этот эффект и сделать его управляемым извне, создав композиты с магнитными наночастицами. Под воздействием внешнего магнитного поля эти частицы перемещаются внутри полимера, создавая механическое напряжение, которое, в свою очередь, генерирует электрическое поле.
– Как вы проверяли эффективность такого подхода?
– Мы провели серию экспериментов in vitro и in vivo. В экспериментах на крысах мы экспериментально моделировали искусственный дефект бедренной кости и имплантировали наш материал, наблюдая за процессом регенерации. Через месяц гистологические исследования показали, что воздействие магнитного поля значительно ускоряет регенерацию костной ткани. Клетки - предшественники остеобластов мигрировали в матрикс и формировали новую кость. Статья об этом вышла в октябре прошлого года в журнале Американского химического общества ACS Applied Materials&Interfaces.
– Каким образом крысы попадали под воздействие магнитного поля?
– Грызуны были разделены на две группы: одна находилась под воздействием магнитов, а другая - нет. Крысы первой группы сидели в двух соседних камерах и перемещались туда-сюда через туннель, в котором были расположены магниты.
Результаты гистологии показали, что и сам материал способствует прорастанию тканей, но магнитное поле усиливает этот эффект. То есть в первой группе регенерация кости шла значительно быстрее. Это эксперименты in vivo, но бÓльшая часть экспериментов проводилась in vitro, при выращивании и культивировании клеток на установке, которую мы сами спроектировали и собрали буквально из подручных средств.
– Как скоро эти результаты могут быть внедрены в практику?
– До практики еще достаточно далеко. Это была очень большая комплексная работа в рамках проекта РНФ, над которым мы работали с 2020 года по 2023-й. Пока это только исследования, перспективное направление. Но мы также думаем о конкретных продуктах, которые можно изготавливать с помощью относительно несложных и легко масштабируемых на фармацевтическом предприятии методов.
– Расскажите об этом более подробно.
– Мы исходим из принципа большей простоты и большей эффективности. Наш материал «Сферомед» намного превосходит по качествам считающийся золотым стандартом швейцарский BioOss, который получил большое распространение и практически полностью занял российский рынок остеопластических материалов. Но BioOss - материал старого поколения, созданный по технологии 1970-х годов, по сути, он представляет собой специально обработанную и переработанную в гранулы кость крупного рогатого скота. Наша идея заключается в том, чтобы заменить ее на синтетический материал, получаемый с помощью микробиологического синтеза. В этом случае снимаются все проблемы, связанные с использованием чужеродной кости. К тому же выяснилось, что BioOss не обладает такими уж выдающимися остеоиндуктивными свойствами, тогда как у нашего материала они значительно усилены благодаря пролонгированному выходу лекарственного вещества, загруженного в пористые гранулы из поли-3-оксибутирата.
– То есть ваш материал лучше?
– Лучше. И мы это доказали на целой серии экспериментов как на крысах, так и на крупных животных (овцах), которые провели в сотрудничестве с нашими коллегами, челюстно-лицевыми хирургами под руководством члена-корреспондента РАН Сергея Иванова из РУДН и Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М.Сеченова, профессором НИИ морфологии человека им. академика А.П.Авцына гистолога Алексеем Волковом и коллегами из Ставропольского медицинского университета под руководством профессора Александра Долгалева. На овцах была использована модель с удалением зуба, затем в область дефекта мы имплантировали «Сферомед», и результаты показали, что он эффективно стимулирует образование новой костной ткани. Эти эксперименты подтвердили, что наш материал готов к следующему этапу - клиническим исследованиям на людях.
– Когда планируете их начать?
– Сначала нам нужно найти ресурсы для перехода к испытаниям. Основная проблема - это отсутствие интереса со стороны производителей медицинских изделий. Они сейчас сосредоточены на расширении производства существующих продуктов, а не на разработке новых. Кроме того, сертификация и клинические исследования требуют значительных финансовых вложений. Однако мы продолжаем искать возможности для продвижения нашего материала, так как уверены в его потенциале и в том, что он может стать достойной заменой импортным аналогам и значительно улучшить качество лечения пациентов с травмами костной ткани.
Беседовала Светлана Беляева
Фото предоставлено А.Бонарцевым
