Разработан гидрогель для заживления повреждений кишечника

Поверхностные раны, такие как порезы или ссадины на коже, чтобы защитить их от инфекций и облегчить заживление, в большинстве случаев достаточно заклеить лейкопластырем. В некоторых случаях может понадобиться наложить повязку. Когда же дело касается повреждений внутренних поверхностей, например, стенки кишечника, которая покрыта естественной слизью, такие заживляющие материалы не сработают, поскольку слизь не позволит им прочно закрепиться в нужном месте.

Ученые нашли решение этой проблемы в виде пробиотического гидрогеля, созданного из мукоадгезивных волокон, произведенных генетически модифицированной кишечной бактерией. Биологически совместимый и разлагаемый, он способен надежно крепиться к влажной и скользкой поверхности стенки кишечника так же, как обычный лейкопластырь к коже.

Такие гидрогели, которые легко получить из бактериальных культур, могут быть двух видов: «живые» самовосстанавливающиеся гели длительного действия и бесклеточные гели с коротким временем действия. На поверхность кишечника они наносятся с помощью специального шприца, распылителя или эндоскопическими методами, что обеспечивает их высокую герметичность. Их планируют использовать для заживления повреждений кишечника, с которыми не работают другие заживляющие материалы.

Как работает «лейкопластырь» для кишечника

Основой инновационного заживляющего средства стала обычная кишечная палочка, она же бактерия E. сoli, точнее, ее непатогенные штаммы, которые являются естественной частью кишечной микрофлоры. Как и многие ее «соседи» по желудочно-кишечному тракту, E. сoli обладает способностью продуцировать мукоадгезивные соединения, которые и позволяют ей прикрепляться к скольким стенкам кишечника. Эти соединения представляют собой спиральные микроволокна, состоящие из повторяющихся цепочек одинаковых амилоидных белков – так называемых CsgA (карлинов).

Чтобы получить возможность создавать гидрогели, ученые методами генной инженерии модифицировали кишечную палочку, заставив ее синтезировать нужный вариант карлинов, способный связываться с пептидами из группы кишечных факторов роста – TTF. Эти факторы роста секретируются продуцирующими слизь клетками желудочно-кишечного тракта для защиты эпителиального слоя оболочки от разных травм и помогают ему восстанавливаться после повреждений.

«Мы полагаем, что присутствие кишечных факторов роста позволяет волокнам карлинов переплетаться друг с другом, формируя множество дополнительных связей, и образовывать водоаккумулирующие сети», – говорит руководитель исследования профессор Нил Йоши. Отфильтровав их от других культур, ученые наполнили их водой и получили гидрогель, содержащий живые бактерии, который легко прилипает к сколькой поверхности слизистой, создавая своего рода водонепроницаемую повязку, которая способствует заживлению внутреннего повреждения.

По словам исследователей, созданная ими технология позволяет программировать непатогенные штаммы бактерии E. coli для производства гидрогелей, которые по густоте и вязкости максимально напоминают кишечную слизь и обладают «встроенными» мукоадгезивными свойствами. К тому же, модульная структура гелей позволяет настраивать их таким образом, чтобы они соответствовали индивидуальному составу и структуре слизи определенного отдела желудочно-кишечного тракта. 

«Известно, что естественные биопленки, формируемые микроорганизмами, препятствуют процессам заживления ран, – говорит профессор Йоши. – Мы, по сути, взломали один из ключевых механизмов, с помощью которых бактерии образуют эти пленки, чтобы получить кардинально противоположный результат – заставить их производить биологически активный материал, способствующий заживлению повреждений в среде, недоступной для других ранозаживляющих средств». После выполнения своей задачи гель разлагается, не мешая дальнейшему процессу регенерации.

Эффективность своей разработки ученые проверили в ходе испытаний на лабораторных грызунах. Они выяснили, что при пероральном введении гидрогель легко выдерживает агрессивную среду желудка и тонкого кишечника, достигая слепой кишки с неизмененным составом живых бактерий. Команда также обнаружила, что гидрогели, несущие один определенный кишечный фактор роста, увеличивают время «работы» заживляющего материала в толстой кишке.

«Наличие живых бактерий в геле продлевало время его пребывания в кишечнике с одного до пяти дней, благодаря способности бактерий непрерывно образовывать новые цепочки спиральных волокон без ущерба для здоровья мышей, – отмечает профессор Йоши. – Таким образом, мы можем варьировать время действия гидрогеля за счет регулировки количества бактерий в его составе. Чем их больше – тем дольше действие. И наоборот».

В настоящее время исследователи готовятся к клиническим испытаниям. Они полагают, что созданный ими материал сможет применяться при самых разных повреждениях кишечника, в первую очередь эрозиях двенадцатиперстной кишки.