Ученые МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» предложили новый пористый покровный материал для заживления ран на основе хитозана и С-фикоцианина. Пигментно–белковый комплекс продемонстрировал высокие антиоксидантные и противовоспалительные свойства, а его способность флуоресцировать может быть использована для создания систем мониторинга заживления ран. Результаты работы опубликованы в журнале BioTech.
«Основная цель нашего междисциплинарного исследования — создать надежный и экологичный материал для заживления ран, и для ее достижения физики, химики и биологи из Курчатовского института и МФТИ использовали натуральный полимер хитозан и пигмент-белкового комплекса цианобактерии. В итоге получилось перспективное раневое покрытие, но для него был необходим подходящий носитель, и эта довольно сложная задача досталась нашей группе физиков. Используемый компонент синтезируется цианобактерией и действует как любые растения с противовоспалительными свойствами, подорожник или мох — запускают восстанавливающие биохимические процессы, но использовать бактерии напрямую неэффективно, необходима правильная концентрация. Большое количество биологически активного вещества не всегда полезно: как сказал Парацельс, “все есть лекарство, и все есть яд”», — рассказал о проекте Тимофей Григорьев, директор Института нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных наук и технологий МФТИ.
Рассмотрев физико-химические свойства выделенного из биомассы цианобактерии С-фикоцианина, ученые МФТИ предложили в качестве наиболее подходящего носителя губку, созданную на основе полимера из панцирей крабов, — хитозана. Это все тот же хитозан, но высокопористый, то есть аэрогель, который содержит всего 2% полимера, а все остальное — свободные поры, которые могут отлично поглощать жидкость.
Рисунок. Хитозановая губка: а — внешний вид; б, в — тонкослойная микроскопия; г — изображение сделанное электронным микроскопом
«Наибольшее влагопоглощение мы получили все той же игрой физики и химии. Использовав сублимационную сушку, с помощью которой обычно выделяют вещество из раствора, мы как физики увидели, что если правильно “пройти” по диаграмме состояния между жидкой, твердой и газообразной фазами, варьируя давление и температуру, можно в определенных условиях “испарить” лед. И что же это нам дает? Требуемую структуру. Полимер — это цепочечные макромолекулы, и в растворе при заморозке кристаллы льда “выдавливают” их в межфазное пространство. “Испаряем” (сублимируем) лед и получаем стабильную форму с взаимосоединенными микропорами, которые по своим свойствам идеально подходят для клеток кожи. При этом мы используем воспроизводимые природные материалы, но, что важно, это не белки млекопитающих, которые могут вызывать иммунный ответ организма», — добавил Тимофей Григорьев.
Поры полученной хитозановой губки имеют размер порядка 150–200 микрометров, и они взаимосвязаны между собой, химия поверхности тоже подходящая. Хитозан — единственный положительно заряженный полисахарид, а почти все белки и биомолекулы в нашем организме заряжены отрицательно. В итоге пористый материал электростатически сорбирует на себя необходимые белки и биологические макромолекулы, так называемые факторы роста в раневой среде, что способствует более быстрому заживлению. Также хорошо сорбируется и С-фикоцианин.
«На данный момент свыше 30% от общемирового производства биомассы фототрофных микроорганизмов приходится на долю цианобактерий рода Arthrospira (коммерческое название Спирулина). В нашей лаборатории активно ведутся исследования по культивированию цианобактерии B-12619 и выделению из полученной биомассы ценных биологически активных соединений. Особый интерес представляет пигмент-белковый комплекс, вспомогательный пигмент фотосинтеза — С-фикоцианин, который обладает антиоксидантными, ранозаживляющими, антимикробными и противовоспалительными свойствами. Таким образом, С-фикоцианин является перспективным компонентом ранозаживляющих материалов, а его включение в полимерную матрицу позволит регулировать скорость его высвобождения», пролонгируя, таким образом, длительность его действия», — отметила Яна Сергеева старший научный сотрудник лаборатории глубокой переработки биомассы отделения биоэнергетики НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт».
В ходе эксперимента С-фикоцианин был инкапсулирован в полимерную матрицу посредством погружения хитозановой губки в раствор С-фикоцианина, при этом эффективность инкапсуляции была выше 90%. При исследовании применимости хитозановой губки, содержащей С-фикоцианин, в качестве ранозаживляющего покровного материала в опытах in vitro было установлено, что в течение первого часа высвобождалось около 50% С-фикоцианина, а максимальная концентрация достигалась через пять-семь часов и оставалась на постоянном уровне в течение последующих 19 часов.
Таким образом, в результате проведенных исследований был получен аэрогель, который в дальнейшем можно использовать в качестве эффективного и экологичного покровного материала для заживления ран.
Институт нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных наук и технологий МФТИ (ИНБИКСТ) создан в сотрудничестве с НИЦ «Курчатовский институт». Студенты ИНБИКСТ с первого курса имеют доступ в лаборатории Курчатовского института, где начинают заниматься наукой. Присоединиться к междисциплинарным и разнообразным исследованиям, которые ведет Курчатовский институт, можно и после поступления в магистратуру или аспирантуру ИНБИКСТ МФТИ.
