Фиброин — белковый компонент природного шелка — привлекает все больше внимания как перспективный материал для медицины и биоинженерии. Поэтому ученые МФТИ и НМИЦ трансплантологии и искусственных органов имени академика. В.И. Шумакова получили композитный гель, содержащий частицы фиброина и карбоксиметилцеллюлозы размером 1-20 микрометров. Он показал подходящие для заживления ран физические свойства, безопасность и способность ускорять регенерацию животных. Результаты опубликованы в журнале Biomimetics.
Разработка новых материалов — одна из важнейших задач биомедицины. Они нужны, чтобы создавать на их основе искусственные органы и ткани, залечивать травмы пациентов и так далее. Такие материалы должны быть биосовместимы, то есть не вызывать иммунной и прочих негативных реакций, обладать нужной прочностью, устойчивостью и другими свойствами.
Ученые все чаще обращают внимание на белок из шелка — фиброин. Известно, что этот природный материал состоит из двух главных компонентов: служащего структурной основой фиброина и клейкого белка серицина. При затвердевании природного шелка, который выделяет бабочка тутового шелкопряда, оба «ингредиента» смешиваются. Серицин охватывает и скрепляет соседние молекулы фиброина, образуя своеобразный биологический композит. При этом на фиброин приходится 75% массы шелка — именно он придает ему прочность, химическую устойчивость и биоразлагаемость.
И фиброин, и серицин нетоксичны, однако при применении на практике их необходимо хранить отдельно и смешивать непосредственно перед получением гелей, растворов, пленок и других препаратов. Дело в том, что два белка имеют различные химические свойства и требуют разные условия для растворения и перехода в пластичную форму.
Авторы новой работы поставили цель сделать ранозаживляющий препарат на основе фиброина с оптимальными свойствами. Для начала они получили натуральный шелк, которые «прядут» гусеницы, и выделили из него фиброин в чистом виде. Затем его превратили в микрочастицы нужного размера (от одного до 20 микрон) и выделили с помощью ультрацентрифугирования. Подготовленный таким образом фиброин смешивали с микрокристаллической целлюлозой (МКЦ). Ее широко применяют в пищевой промышленности, фармакологии и технике в качестве наполнителя, стабилизатора и так далее. МКЦ придает смесям нужные характеристики, а ее безопасность для человека не вызывает сомнений.
Далее описали физико-химические свойства полученного геля, включая вязкость, внешние характеристики и однородность. Их отмечали ежемесячно на протяжении одного года — все это время образцы хранили при температуре 10 градусов. Также препарат изучили при помощи сканирующего электронного микроскопа (SEM). Прибор позволяет получить изображения поверхности объекта с очень высоким (доли нанометра) пространственным разрешением. Гель подготовили для SEM, удалив из него воду за счет переноса в ряд растворов этилового спирта со все большей концентрацией. Затем препарат высушили и изучали под вакуумом.
Чтобы узнать, оказывает ли разработка токсическое действие, ученые использовали культуру клеток-фибробластов 3T3 и MTT-тест. Это стандартный протокол, основанный на способности бесцветной соли тетразолия переходить в форму окрашенного формазана в присутствии митохондриальных ферментов живых клеток. Он позволяет оценить изменения числа живых клеток по интенсивности синей окраски клеточной культуры. Оказалось, что новый гель не увеличивает смертность клеток, не подавляет их метаболизм, а значит, не токсичен.
Авторы также доказали эффективность своего препарата на основе фиброина и МКЦ. Использован тест на крысах с поврежденной коже на черепе, у которых фиксировали скорость заживления ран после нанесения геля и без него. Полное покрытие рубца эпителием (признак выздоровления) в первой группе было достигнуто после 15 дней нанесения геля. Крысам из контрольной группы — на их кожу наносили гель только с МКЦ, но без фиброина — для этого потребовалось вдвое больше времени. Площадь поврежденной кожи также быстрее уменьшалась на фоне применения нового препарата.
Наконец, срезы кожи экспериментальных животных изучили на гистологическом уровне. Оказалось, гель помог добиться полного восстановления всех слоев кожных покровов. На поверхности отмечен хорошо организованный многослойный эпителий, более глубокая часть кожи также соответствовала норме. Дерма оказалось зрелой, содержала железы и волосяные фолликулы. Волокна коллагена, которые отследили с помощью специального красителя, были плотно упакованы и нормально ориентированы относительно друг друга. При этом признаков хронического воспаления или фиброзного ремоделирования (то есть образования рубцов) не было. Более того, граница между исходно не поврежденной и заживающей кожей оказалась неразличима.
Таким образом, новый гидрогель для заживления ран не только имеет перспективные биологические и физико-химические свойства. Он также очень практичен — благодаря легкости в применении и способности долго сохранять активность. Эффективность препарата, которая уже показаны на клетках и животных, еще следует подтвердить в других доклинических и клинических испытаниях. Их положительный результат откроет возможность использования препарата для залечивания ран, восстановления поврежденной кожи и тканевой инженерии.
