Без лишних швов: ученые создали средство от ран из «паучьего шелка»
«Искусственная паутина», которую вырабатывают модифицированные с помощью генной инженерии дрожжевые грибы, обладает высокими заживляющими свойствами. Это показали эксперименты ученых Курчатовского института и их коллег из других российских научных коллективов. Уникальный материал восстанавливает человеческие ткани за счет стимуляции работы стволовых клеток, ускоряющих выздоровление. Повязки на основе паутины с заживляющими свойствами могут быть востребованы в медицине.
Прочные нити
Ученые Курчатовского института совместно с исследователями из МГУ им. М.В. Ломоносова, НМИЦ трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова, ИМБ РАН, ФНКЦ ФМБА и другими ведут исследования свойств «искусственной паутины». Уникальный материал, из которого можно сделать раневые повязки, получают с помощью дрожжевых грибов.
Для этого дрожжам пересаживают синтезированные и особым образом отредактированные гены, отвечающие за выработку аналогов белков, используемых пауками для создания каркасной нити — самой прочной составляющей их сетей. Попадая в рану, эти вещества стимулируют регенерацию тканей, ускоряют выздоровление и даже могут избавить пациента от возникновения шрама.
При этом российские ученые смогли получить белок большей молекулярной массы (масса одного моля вещества), чем это удалось иностранным коллегам. Это заметно улучшило основные характеристики материала.
Мирная паутина
Как рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» Владимир Богуш, особый интерес к белкам, которые пауки производят для создания паутины, возник в научном мире в конце 80-х годов ХХ века. Главным образом — из-за поразительной прочности и легкости, превосходящей любые материалы, созданные человеком. А позднее оказалось, что эти белки полностью биосовместимы с человеческим организмом и благотворно влияет на ткани.
Одно из главных препятствий на пути практического применения «искусственной паутины» — сложность ее производства. Многоступенчатая технология требует выращивать дрожжевые продуценты, очищать белки и выполнять еще множество непростых манипуляций, пояснил Владимир Богуш.
Поэтому в одном из своих исследований специалисты НМИЦ трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова смешали получаемую в Курчатовском институте «искусственную паутину», или, как ее еще называют, «паучий шелк», с шелком тутового шелкопряда, который прост в производстве и доступен по цене. Эксперименты на мышах показали, что полученный таким способом более дешевый материал сохраняет высокие регенеративные свойства.
— «Паутину» можно использовать для заживления любых ран, поскольку этот материал стимулирует работу стволовых клеток, содержащихся во всех видах тканей. Они выступают своего рода «дежурными ремонтниками» — начинают действовать при любой «аварии», стимулируют всевозможные факторы роста сосудов и нервов, вызывают разрастание новых клеток. В результате происходит регенерация тканей организма, — сказал Владимир Богуш.
Как выяснили ученые, эффективность, с которой белок может воздействовать на рану, сильно зависит от структуры «искусственной паутины». Так, в ходе экспериментов специалисты испытали возможность создания на поверхности раны плоской накладки с помощью метода электроспиннинга (способ получения полимерных волокон за счет воздействия на белок электростатических сил). Такая накладка состоит из плотно переплетенных нанонитей «искусственной паутины», смешанной с белком шелка тутового шелкопряда. Материал, в который при необходимости можно добавлять дополнительные лекарственные вещества, укладывают на плоскость раны плотной сеткой. Прокладка пропускает воздух и жидкости и облегчает заживление.
Однако с помощью электроспиннинга можно сделать и трехмерный материал в виде губки. Будучи заселен клетками, он, по сути, станет аналогом живой ткани.
Наконец, третья форма, в которой можно применять «искусственную паутину», — гидрогель с любой необходимой концентрацией белка, который можно наносить на место повреждения.
Перспективная технология
По мнению научного сотрудника НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Елизаветы Пермяковой, использование метода электроспиннинга для формирования материалов, заживляющих раны, — активно развивающаяся и перспективная технология. Получаемые материалы имитируют внеклеточные структуры ткани, тем самым позволяя восстанавливать их без формирования шрамов.
— Использование природных полимеров, в частности белков шелка, обеспечивает высокую биосовместимость и биодеградируемость получаемых каркасов, а также способствует разрастанию ткани, — отметила Елизавета Пермякова.
Эксперименты на мышах показали, что «искусственная паутина», по-видимому, сможет восстанавливать даже участки нервной ткани, поврежденные в результате инсульта. При этом пока повреждение заживает, сам материал с той же скоростью постепенно разлагается до аминокислот, которые для организма полностью безвредны.
— Разработка лекарственных препаратов на основе «паучьего шелка» — это одно из передовых направлений медицинской науки, когда подыскиваются те или иные биологические вещества, стимулирующие ткань к регенерации, — поясняет директор Института биологии и биомедицины ННГУ Мария Ведунова.
По словам эксперта, ученые часто даже не могут предсказать, какое из природных веществ в животном или растительном мире сможет простимулировать регенерацию наших собственных тканей. Если таким действием обладает «паучий шелк», то это абсолютно нормальная, разумная практика — использовать натуральные соединения для проведения заменительной терапии, например, кожных ран.
По мнению научного сотрудника лаборатории анализа показателей здоровья населения и цифровизации здравоохранения МФТИ Давида Наимзады, новые материалы на основе «паучьего шелка», вероятно, будут более востребованы не как самостоятельное средство, а как активные матрицы для доставки лекарственных средств. Состав таких раневых покрытий будет определять показания к их применению, считает эксперт.
