Биоинженеры работают над материалами для заживления ран

Биоматериалы специально разработаны для поддержки регенерации тканей, нервов и мышц по всему организму, однако врачи и исследователи имеют ограниченный контроль над размером и связностью внутренних пор, которые доставляют кислород и жизненно важные питательные вещества туда, где они наиболее необходимы. Для решения этой проблемы и более эффективной поддержки регенерации тканей группа исследователей из Университета штата Пенсильвания разработала новый класс регулируемых биоматериалов.

Под руководством ведущего автора Амира Шейхи, заведующего кафедрой биоматериалов и регенеративной инженерии имени Дороти Фоер Хак и Дж. Ллойда Хака и доцента кафедры химической инженерии, команда разработала высокопористый, лёгкий биоматериал и протестировала его эффективность как в пробирках, так и на мышах. Они обнаружили, что их соединение — усовершенствованный класс пенообразных материалов, известных как аэрогель, — обеспечивает улучшенную инфильтрацию клеток, что может способствовать быстрому образованию новых кровеносных сосудов и регенерации поврежденных тканей в организме. Результаты исследования были опубликованы в недавнем выпуске журнала Biomaterials.

В этом интервью Шейхи и Дино Равник, профессор хирургии и соавтор статьи, рассказали о том, как новый материал может обеспечить более адаптивный подход к лечению ран и ожогов.

Что такое аэрогель? Чем ваш новый класс материалов отличается от предыдущих аэрогелевых материалов?

Шейхи: Аэрогели — это сверхлегкие, богатые кислородом материалы с огромной внутренней поверхностью, что означает, что они могут хранить и транспортировать множество клеток. Аэрогели привлекательны для таких применений, как заживление ран и регенерация тканей, поскольку они в основном состоят из воздуха, что способствует эффективному перемещению кислорода и питательных веществ. Однако традиционные аэрогели не обеспечивают точного контроля над архитектурой пор на клеточном уровне, что в регенеративной медицине имеет решающее значение для контроля взаимосвязанных путей, которые клетки используют для перемещения, образования кровеносных сосудов и интеграции с окружающими тканями.

Мы разработали то, что называем гранулированными аэрогелевыми каркасами (ГАК). Вместо традиционного формирования аэрогелей мы собираем их из микрочастиц на основе белков с контролируемым размером — строительных блоков, которые мы можем точно регулировать. Изменяя размер этих строительных блоков, мы можем программировать геометрию пор и взаимосвязь каркаса, который служит основой аэрогеля. Это позволяет нам регулировать размер пор, не влияя на жесткость материала, и избегать разрушения структуры во время сушки — ограничений, которые исторически сдерживали эффективность аэрогелей в регенеративной медицине.

Какие преимущества предлагает аэрогель для применения в здравоохранении по сравнению с другими биоматериалами?

Равник: Для клинического применения в целях восстановления тканей биоматериалы должны подвергаться инфильтрации клеток и васкуляризации после имплантации, то есть клетки должны быть способны взаимодействовать с материалом и образовывать новые кровеносные сосуды вдоль него. Если васкуляризация невозможна при наличии материала, восстановление тканей невозможно, что может привести к заболеваниям пациента, повторным операциям и увеличению затрат на здравоохранение. Это особенно проблематично в случаях ран, страдающих от низкого содержания кислорода и ограниченного потенциала для роста новых кровеносных сосудов, таких как облученные, диабетические и ожоговые раны. Аэрогели могут предложить альтернативу для этих групп пациентов из группы риска, которые в настоящее время имеют ограниченные возможности лечения.

Как сотрудничество между врачами Медицинского колледжа Университета штата Пенсильвания и вашей командой инженеров повлияло на проект?

Шейхи: Этот проект — пример инженерного подхода, основанного на клинических потребностях. Инженеры могут проектировать материалы практически с любыми свойствами, но клиническое понимание позволяет нам оптимизировать их для практического применения. В моей лаборатории была выявлена ​​проблема в аэрогелевых биоматериалах — отсутствие точного контроля над характеристиками пор материала — для решения этой проблемы был разработан GAS, и проведены эксперименты in vitro и базовые эксперименты in vivo для проверки различных аспектов GAS, то есть мы протестировали материал как в лаборатории, так и на живых моделях. Затем мы тесно сотрудничали с доктором Равником и хирургической бригадой, чтобы оптимизировать материал с точки зрения биологического эффекта: быстрого врастания сосудов, когда новые кровеносные сосуды прорастают в ткани.

Мы провели тщательное тестирование характеристик, и этот процесс позволил детально изучить, как наш материал будет вести себя и поддерживать рост кровеносных сосудов в физиологически значимых условиях. Эта обратная связь, обеспечиваемая хирургической бригадой, имеет ключевое значение для внедрения результатов нашей работы в практику здравоохранения.

Каково возможное применение этого материала в ближайшем будущем? Что он может предложить в будущем?

Равник: После дополнительных исследований и испытаний аэрогели потенциально могут сыграть существенную роль в лечении незаживающих ран. В более отдаленной перспективе аэрогелевые каркасы можно будет предварительно загружать определенными типами клеток, например, мышечными или кожными, для разработки индивидуальных тканеинженерных заменителей. В этом смысле аэрогели могут предложить платформенную технологию как для восстановления, так и для регенерации тканей. Для реконструктивных хирургов, таких как я, это представляет собой заветную цель в лечении пациентов, страдающих от потери тканей, независимо от причины их ран.

Что дальше с этой работой? Планируется ли в будущем коммерциализация этого материала?

Шейхи: Следующий шаг в наших исследованиях — расширение областей применения и оценка долгосрочной эффективности. Мы работаем над добавлением биохимических сигналов, факторов, которые помогают клеткам расти или регулируют иммунный ответ, в эту регулируемую платформу. Стабильность GAS при хранении особенно интересна с точки зрения коммерциализации — материал можно высушить, стерилизовать, хранить и быстро регидратировать без потери пористой структуры или механических свойств.

Мы активно изучаем пути внедрения в клиническую практику, такие как получение патентов и формирование партнёрских отношений с промышленностью, поскольку нас глубоко интересует продвижение этой технологии за пределы исследований, подтверждающих концепцию. В конечном итоге, наша цель состоит не просто в разработке более совершенных биоматериалов для тестирования в лаборатории, а в их преобразовании в доступные решения, улучшающие качество медицинской помощи реальным пациентам.

Её конек схемы в бизнесе, банковской и финансовой сфере.