Ранозаживляющие технологии: пути развития (обзор литературы)

Введение

Сам термин «тканевая инженерия» введен в научное сообщество в 1960 году ввиду широкого применения клеток ткани в сочетании с другими различными ма­териалами. Под данным термином было принято по­нимать науку междисциплинарного характера, находя­щуюся на стыке биологии и инженерии, целью которой является воссоздание живых тканей с целью замены или улучшения функционирования органов [1, 2]. Тка­невая инженерия является одной из областей медицин­ской науки, главная задача которой состоит в воспроиз­ведении биологических эквивалентов тканей и органов. Эта область медицины открывает возможности созда­ния органов и тканей с помощью биоматериалов и на­ноструктур с целью их развития, поддержания и вос­становления функционирования в живом организме [3, 4]. Главная цель тканевой инженерии — искусствен­но воссоздать наиболее точную структуру ткани. Для достижения данной цели необходимо наличие источ­ника (донора) клеток, искусственного внеклеточного матрикса (ВКМ) и ростового фактора. Чтобы создать биологический суррогат, который бы прижился в орга­низме при процессе регенерации кожи, используются клетки и ВКМ, а также клеточные структуры, которые можно было бы использовать при процедуре клеточной терапии.

Первым органом, который удалось создать экстракор­порально, а также успешно применить в медицинских практиках, является кожа. Возможность генерации кожного покрова открыла горизонты для хирургов и трансплантологов. Однако тканевая инженерия при­вносит большой вклад не только в лечение раневой поверхности, но также и в лечение различных забо­леваний (например, кожных), оказывающих влияние на качество жизни человека [5, 6].

Обзор современных ранозаживляющих технологий

Прежде чем описать современные технологии регене­ративной кожной терапии, уточним, что кожные сур­рогаты создаются в натуральных растворах биоразла­гаемых синтетических полимеров. Пористая структура данных материалов обеспечивает нормальное протека­ние неспецифической адгезии клеток в матриксе, а их способность поглощать влагу способствует транспор­тировке низкомолекулярных растворов и питательных веществ в клетки тканей [7].

Необходимые биоматериалы должны обладать це­лым арсеналом свойств, что обуславливает сложность их подбора. В частности, последние должны обладать нетоксичной деградацией, а также способствовать про­лиферации клеток, неспецифичной клеточной адгезии и клеточной деятельности.

В рамках технологии тканевой инженерии одними из первых материалов для взращивания клеток стали натуральные полимеры, такие как желатин или агар [8]. Сейчас потенциальными биологическими матери­алами для регенерации кожи могут служить «гидро­гели» (альгинат, метиллцеллюлоза, агароза, желатин, фибрин, коллаген, плюроник, тропоэластин, матригель, фиброин шелка и др.). Их гидрофильная функ­ция обеспечивает концентрирование воды в коже. Так, коллаген часто используется в качестве основы для клеточной культуры, однако он может использо­ваться, подобно свойствам гиалуроновой кислоты, и для лечения раневых поверхностей. Также последние исследования показали возможность использования в тканевой инженерии минорных белков, изъятых из натуральной костной ткани (например, фибронектин и остеокальцин) [9].

В настоящее время появилась возможность исполь­зования биоматериалов, содержащих подсаженные стволовые клетки. Это позволило внедрять в техноло­гию биотипирования кожи все функции, характерные для стволовых клеток (опорная, регенеративная, про­лиферативная, дифференцировка, интеграция и др.) и улучшать качество регенерации [10].

В дополнение к биоматериалам в тканевой инженерии могут быть использованы также и некоторые синте­тические материалы. Эти технологии внедряются с це­лью повышения способности организма к регенерации путем подсаживания синтетического материала к ма­териалам клетки для формирования «неокожи». Син­тетические полимеры имеют ряд преимуществ. Во-пер­вых, их состав полностью известен и предсказуем. Во-вторых, они создаются с учетом минимизации им­мунной реакции. Наконец, их коллоидная химическая составляющая в виде скаффолдов (матрицы пористой или волокнистой структуры в виде каркаса для клеток) способствует приживанию и разрастанию клеточных структур. Приводим наиболее часто используемые син­тетические полимеры при создании 3D-скаффолдов: полилактид-ко-гликолид, трикальцийфосфат, хитозан, гидроксиапатит, коллаген, поликапролактон, поликапролактон-поливиниловый спирт, полигликолиевая кислота, полилактидная кислота и др. [11].

Так, любой скаффолд должен иметь следующие харак­теристики: биосовместимость, нетоксичная биораз­лагаемость, способность к воссозданию оптимальных биологических и химических условий для пролифера­ции и дифференциации клеток. Также очень важным свойством «идеального» скаффолда является его пори­стость [11, 12].

Технология биопрототипирования может выполняться при низких температурах, что позволяет использовать большой набор различных биосовместимых материа­лов. Однако одним из недостатков биопечати являет­ся отсутствие возможности воспроизведения твердых конструкций ввиду применения в технологии гидроге­лей [13].

Одним из главных прорывов в области тканевой ин­женерии стало создание современных тонких тканей, которые уже были не раз успешно трансплантированы реципиентам с острой недостаточностью последних. Однако воссоздание более толстых тканей (например, мышцы или печеночная ткань) может осложняться ограничением диффузии кислорода внутри созданных массивов клеток, из-за чего исследователям прихо­дится прибегать к имитации сосудистой сети внутри искусственной ткани, что уже осложняет саму техно­логию.

В последние годы в технологии 3D-производства био­логических структур произошел значительный скачок. Большое внимание исследователи начали уделять тех­нологии, которая позволяет создать регулируемое про­ектирование и производство 2D-3D-структур, состоя­щих из биологических материалов и жизнеспособных клеток. Такой процесс и называется биопроизводством или биопрототипированием. Главной целью дальней­шего развития данной технологии является совершен­ствование 3D-принтера и системы наблюдения, а также контроля производства органов и тканей с помощью чернилоподобной жидкости, называемой «биочернила­ми» [14-16].

Прообразом известной нам 3D-печати послужила методика стереолитографии Ч. Халла (1986 г.). Она представляла собой послойное нанесение матери­ала, который впоследствии отвердевал под воздей­ствием ультрафиолетовых лучей [17]. Таким обра­зом, процесс биопрототипирования представляет собой производство клеточных слоев с целью созда­ния 2D-3D-функционирующего тканевого пласта при использовании клеточных сфероидов в качестве «кирпичей». Данный процесс управляется компьютер­ной программой, которая конструирует 2D-3D-модели, используя системы автоматизированного проекти­рования и производства. Сам аппарат для биологиче­ского моделирования состоит из трех регулировоч­ных приводов углового перемещения и медицинского шприца, выпускающего биочернила. В качестве исход­ной информации для биопрототипирования органов или тканей выступает цифровая трехмерная модель, для проектирования которой могут быть использованы данные, полученные с помощью компьютерной томо­графии или магнитно-резонансной томографии. Такая цифровая модель способствует более точному соответ­ствию структуре суррогатного материала [18]. Используя смешанный раствор кератиноцитов, фибро­бластов, меланоцитов и стволовых клеток, биопринтер может создать адекватную модель системы лечения раз­личных раневых состояний. Данная технология в на­стоящее время уже применяется в тканевой инжене­рии кожных покровов. Лазерный сканер, помещенный в устройство печати, собирает информацию и форми­рует модель повреждения, а поступающий из картрид­жей раствор гидрогелей и живых клеток формирует (слой за слоем) поверхность кожи [19, 20].

Гидрогель — суррогат природного внеклеточного ма­трикса (ВКМ) ткани, которую необходимо воссоздать. Гидрогель представляет собой комплекс белков и протеогликанов. Данный комплекс способствует подса­живанию и приживанию клеточных структур за счет своих механических свойств, наличия определенных факторов роста и молекул клеточной адгезии. В совре­менной науке набирают популярность так называемые «смарт-гидрогели». Они, в отличие от обычных гидро­гелей, обладают характеристиками «золь-гель» перехо­да, имеющего уникальное свойство памяти и способ­ность к самокомплектации [20].

Следует отметить, что при процессе биопрототипи­рования сохраняется жизнеспособность клеток неза­висимо от того, какой именно используется материал [21]. Также преимуществом биопрототипирования в сравнении с традиционной трансплантацией тканей является возможность культивирования новых ткане­вых структур, содержащих клетки самого реципиента. Последнее значительно сокращает риск отторжения трансплантата [22].

Возможность перехода от 2D к 3D-технологии позво­лило контролировать геометрию скаффолда на ми­кроклеточном уровне, тем самым создавая идеальную среду для взаимодействия клеток в искусственной среде [23, 24]. Такая автоматизированная система во­стребована там, где нужно воссоздать «свободное» формирование тканей, что идентично сложной струк­туре живых тканей. Это способствует контролируемой предсказуемости фазового изменения гидрогелей и вы­сокой жизнеспособности клеток во время протекания растворного фактора [25]. Создание клеток кожи с по­мощью 3D-печати требует изоляции аутологичных кле­ток, которые потом пролиферируются в лаборатории для достижения нужного их количества, а далее сле­дует наложение этих клеток слой за слоем с помощью самого принтера. Именно эта современная технология (3D) имеет высокую эффективность в области ткане­вой инженерии кожи, так как она позволяет ученым воссоздать ее точную сложную матрицу, воспроизводя ткань слой за слоем и имитируя натуральный кожный покров. Поскольку кожа имеет несколько слоев, она яв­ляется прекрасным примером для демонстрации преи­муществ и превосходства технологии 3D-производства тканей над традиционными способами культивирова­ния тканей [26].

Однако, несмотря на все преимущества, которы­ми стала обладать тканевая инженерия с приходом 3D-биомоделирования, все же оставался ряд нерешен­ных вопросов, которые еще предстояло решить исследо­вателям. Одной из таких трудностей было воссоздание точной иерархии внутри самой новой ткани. Так, изо­бретение лазерно-опосредованной биопечати оказалось решением данной проблемы, поскольку данная техно­логия позволяет печатать высококачественные соедине­ния, объединяя различные линии клеточных структур. В рамках эксперимента кожа, воссозданная с помощью данной технологии, была подсажена некоторым живот­ным, и новый покров подтвердил способность имити­ровать поведение натуральных клеточных структур. В результате данного исследования лазерно-опосредо­ванная биопечать показала себя как один из лучших способов генерирования искусственной кожи [27, 28].

В рамках 3D-биопечати существует такая методика, как биомимикрия. Для успешного применения данной технологии орган должен быть воссоздан на микромас­штабном уровне. Этот метод может быть использован для создания любого органа или ткани, однако требу­ет точного понимания функционирования воссозда­ваемого органа (ткани). То есть для прорыва в данной области необходимо получить достаточно полную на­учную информацию в области биофизики, инженерии и клеточной биологии [29, 30].

Несколько слов о такой технологии лазерной печати «искусственной кожи», как прямой лазерно-индуци­рованный перенос. Интересно, что ранее данная тех­нология использовалась в основном в производстве («печати») металлов, но, как показали исследования, она может также применяться и в области биопечати кожи. В рамках данного эксперимента были выбра­ны такие клетки, как фибробласты и мезенхимальные стволовые клетки, поскольку последние обладают вы­сокой степенью регенерации и просты в применении (в рамках регенеративной медицины). В результате исследования было получены результаты, что 98 % фи­бробластов и около 90 % мезенхимальных стволовых клеток пережили трансплантацию. Более того, два этих вида клеток нормально развивались и после пересадки. Данный эксперимент показал, что прямой лазерно-ин­дуцированный перенос может быть успешно применен в тканевой инженерии, а в будущем использоваться при создании и пересадке не только кожи, но и других органов [31, 32].

Интересны перспективы биопрототипирования в та­ких областях медицины, как дерматология и косме­тология. Например, культивированные меланоциты могли бы быть успешно использованы при лечении витилиго [33]. В частности, предполагается, что система биопрототипирования могла бы доставлять меланоциты прямо на депигментированную поверхность, обес­печивая дополнительный лечебный эффект при одно­временном воздействии стволовых клеток, росткового фактора и цитокинов. Гипертрофические и атрофиче­ские рубцы также бывают гипопигментированными ввиду гибели меланоцитов, и система 3D-биопрототипирования могла бы контролировать эту гипопигмен­тацию, поставляя определенное количество меланоцитов и стволовых клеток в очаги рубцовой ткани. Также дальнейшее развитие данной технологии может приве­сти к лечению различных видов алопеций. В частности, благодаря стимуляции регенерации волосяных фол­ликулов при использовании стволовых клеток можно обеспечить стойкий фолликулогенез. Однако, чтобы достигнуть этой цели, необходимо тщательное изуче­ние вопросов генерирования волосяного фолликула при внутрикожной трансплантации с учетом функцио­нальной регенерации волос (стимуляция роста волося­ного стержня в волосяных фолликулах, цикл развития волоса, связь с прилежащими тканями, регенерация стволовых клеток и др.) [34, 35].

Однако методика 3D-биопечати также сталкивается с рядом трудностей, пришедших из области тканевой инженерии. Такой проблемой является обеспечение созданного суррогата требуемой васкуляризацией, чтобы обеспечить создаваемой модели продолжитель­ную жизнеспособность. И несмотря на то что ряд ис­следований показал возможность конструирования сосудистого древа для «печатных» органов, вопрос о совместимости данного процесса с остальными ком­понентами печатной системы остается открытым. Так­же результаты исследования показали, что жизнеспо­собность клеток может быть значительно меньше того времени, что требуется для созревания рабочей васку­лярной системы [36-38].

Также существует альтернативный способ пересад­ки печатных моделей тканей. Таким является биопе­чать in vivo, при которой клеточные структуры печата­ются непосредственно на поверхность или внутри тела реципиента. Данная методика уже активно применя­лась в ряде экспериментальных исследований, напри­мер внутри раневой или ожоговой поверхностей, а так­же в местах повреждения черепной коробки у мышей. Если добиться более высокой скорости работы и разре­шения 3D-биопринтера, данная методика может быть применена сразу после получения травмы и даже стать обыденной частью медицинских операций по восста­новлению раневой или ожоговой поверхностей. Таким образом, интересным и перспективным направлением в рамках данного подхода является внедрение био­принтеров в хирургические инструменты [39].

Заключение

Таким образом, можно резюмировать, что кожные заме­нители, полученные в результате применения техноло­гии биопрототипирования, могут быть задействованы в широком спектре медицинских практик, но в первую очередь для замещения дефицита кожных покровов ра­невой поверхности. Эти технологии могут различаться по составу и, соответственно, области применения по­следних. Результаты исследований доказали, что при­меняемые тканевые эквиваленты имеют длительный срок хранения и относительно просты в применении, что выдвигает их в ряд передовых технологий совре­менной медицинской науки. Необходимо учитывать, что конструкции искусственной кожи должны вклю­чать в себя донорские клетки кожи (во избежание иммунной реакции организма) и быть совместимыми с тканями пациента. Перед трансплантацией таких за­менителей необходимо провести обследование пациен­та на изучение биологических свойств его организма, результаты которого должны учитываться при прове­дении процессов кожного биотипирования [38].

В заключение хотелось бы добавить, что, несмотря на огромный прогресс в технологии культивирования тканей in vitro, на современном этапе ранозаживляю­щих технологий не существует коммерчески успешного, доступного и упрощенного в производстве инженерно­го заменителя кожных покровов. Однако стремитель­ный прогресс в области тканевой инженерии оставляет надежду, что в скором будущем такой продукт будет обязательно создан [30] и применен в хирургии, транс­плантологии, дерматологии и других областях медици­ны, где практическая деятельность врачей связана с мо­делированием кожных покровов.

Информация о конфликте интересов. Конфликт интересов отсутст­вует.
Информация о спонсорстве. Данная работа не финансировалась.