Уникальный материал сможет заживлять переломы в считанные дни

Заставить костную ткань расти – задача не из простых, но самое легкое в мире твердое вещество может помочь в ее реализации. Группа исследователей нашла способ использовать гибридные аэрогели, прочные и при этом сверхлегкие материалы, для стимуляции роста новой костной ткани взамен поврежденной или утраченной.

Хотя рак кости входит в число относительно редких форм онкологии (на него приходится менее 1% всех случаев заболевания раком), люди с этим диагнозом часто теряют большой объем костной ткани, а в особо тяжелых случаях проходят через ампутацию. Пораженную ткань необходимо удалить, захватив при этом довольно большой фрагмент окружающих ее здоровых тканей, чтобы убедиться, что рак не распространится дальше. Это снижает риск метастазирования, но вместе с тем лишает человека значительной части кости.

В недавнем исследовании ученые использовали гибридные аэрогели для восстановления утраченной ткани путем стимуляции регенеративного процесса в кости. Аэрогели представляют собой комбинацию твердых и газообразных веществ. Это что-то вроде желе, в котором вся вода медленно выпаривается и полностью заменяется воздухом. Именно медленное и аккуратное удаление жидкости позволяет гелю сохранять свою форму, а не сморщиваться в твердый комок. Сочетание твердых и газообразных веществ делает аэрогели чрезвычайно легкими и очень пористыми.

Благодаря этим двум качествам они являются идеальными кандидатами для использования в качестве своеобразных каркасов, которые станут для развивающейся кости «путеводной звездой», за которой она будет следовать по мере своего роста. В настоящее время для восстановления целостности кости либо используют имплантат, который устанавливают в область повреждения, либо медленно вытягивают два края кости подальше друг от друга, чтобы в образовавшемся промежутке могла вырасти новая ткань. Оба метода довольно болезненные, сложные и обходятся недешево.

Как оказалось, костной ткани просто нужен небольшой стимул к регенерации. В большинстве случаев цели можно достичь за счет обычного механического давления. А вот заставить костную ткань расти в правильном направлении и в течение нужного периода времени – гораздо сложнее. Если остановить процесс слишком рано, кость будет слишком слабой и не сможет выполнять свои функции; если позволить ей расти дольше положенного, это обернется образованием болезненных наростов.

Пропорциональный сбалансированный рост можно обеспечить, используя каркас – и вот тут как раз пригодятся аэрогели. Каркас – это особая структура, которую размещают в месте восстановления кости, где она затем направляет растущую ткань по нужному пути. Идеальный каркас крепкий, но не сильно жесткий, существует ровно столько, сколько необходимо для развития новой ткани, и имеет много пор, через которые может прорастать растущая кость. Гибридные аэрогели – как раз тот уникальный материал, который обладает всеми этими свойствами.

Существует немало разновидностей каркасов – от керамических и металлических до целлюлозных гидрогелей. Так чем же гибридные аэрогели лучше? Начать хотя бы с того, что они наполовину состоят из протеинов (поэтому и называются гибридными), которые по прошествии определенного времени самостоятельно распадаются в теле. Вторая их половина – это кремний, который, медленно растворяясь, образует ортокремниевую кислоту, которая, как известно, ускоряет заживление ран.

Размер пор аэрогелей можно контролировать в процессе производства, что позволяет легко адаптировать их под различные цели. Кроме того, в настоящее время они проходят проверку в качестве системы доставки лекарственных препаратов, а это значит, что, прежде чем использовать этот материал как каркас, его можно пропитать терапевтическими средствами или снабдить факторами роста.

Ранее в этом году специалисты трех исследовательских лабораторий из Ирана, Германии и Австрии собрались вместе и решили объединить очень мощный белок с очень легким и пористым аэрогелем. Этим белком стал фиброин шелка, который содержится в коконах шелкопряда и используется для изготовления модных тканей. Он делает аэрогель прочным и достаточно жестким, чтобы его можно было использовать для роста костей.

Получив сырье, ученые начали серию экспериментов. Для начала они пытались создать сам аэрогель, смешав в нужных пропорциях кремний, фиброин шелка, немного кислоты и детергент. Получилось не сразу. При первой попытке материал оказался слишком гидрофобным – он отталкивал воду, что не подходит для тела, которое на 70% состоит из воды. Во второй раз он получился слишком жестким и сухим, а в третий – практически не разлагаемым. Наконец, четвертая попытка увенчалась успехом, и ученые получили идеальный гибридный аэрогель – гидрофильный, не слишком жесткий и биоразлагаемый.

С готовым материалом на руках команда приступила к следующему этапу: она поставила цель проверить безопасность аэрогеля для человеческих клеток. И полученный каркас успешно прошел тестирование. Более того, клеткам, похоже, материал очень понравился. Когда гибридный аэрогель поместили в чашку с костными клетками, те начали быстро расти на его поверхности, по пути впитывая необходимые для роста белки и минералы.

Задачей третьей стадии испытаний было имплантировать гибридный аэрогель мышам и проверить, как он будет стимулировать у них регенерацию костной ткани. Ученым пришлось спровоцировать небольшие повреждения костей у двух групп грызунов, одной из которой они ввели экспериментальный гель. По прошествии трех с половиной недель они обнаружили, что у мышей с аэрогелевыми имплантатами заживление происходило быстрее и лучше, чем у их сородичей без них. Благодаря уникальному материалу новая кость не только росла, но и делала это быстрее, чем обычно.

Способность гибридного аэрогеля ускорять регенерацию кости ставит его в один ряд с передовыми терапевтическими технологиями. С его появлением несложно представить, что переломы костей смогут срастаться в течение нескольких дней, а не недель. Или что врач сможет сказать пациенту с раком кости: «Да, вам нужно удалить часть ноги, но утраченную кость можно будет вырастить заново, не беспокойтесь». Возможно, гибридные аэрогели – именно тот биоматериал, который сделает все это реальностью.