Человеческий организм – сложная биомашина. Но уровень развития современной медицины позволяет менять в ней износившиеся «шестеренки». Вернуть зрение, восстановить костную ткань, «перезапустить» сердце помогают синтетические материалы.
Наталья Филатова узнала о диагнозе «катаракта», когда ей было 35 лет. Услышав об этом, она испытала шок: катаракта ассоциируется с пожилым возрастом. Но, к сожалению, и такие случаи не редкость.
«В моей практике самому молодому пациенту с таким заболеванием было 23 года. У мужчины после травмы была диагностирована катаракта», – рассказал главный врач клиники «Частная офтальмология» Артем Коротков. Помогает только одно – вживление искусственного хрусталика.
Как говорит Наталья, настраивалась она долго, но в итоге все оказалось не так страшно. «Ничего хорошего, конечно, болезнь есть болезнь. Но процесс даже увлек – как будто посмотрела фильм о закатах и восходах на другой планете: менялись цвета, возникали оптические искажения, – с улыбкой рассказывает она. – А потом я увидела играющий всеми красками реальный мир».
Очки внутри глаз
Для многих людей зрение – удивительный дар. Сам факт того, что существует микрохирургия глаза, даже в XXI веке вызывает восхищение. Хотя свидетельства существования офтальмологии обнаружены еще в гробницах Древнего Египта.
Искусственные хрусталики отличаются по диоптриям. Не зря их называют «очки внутри глаз». Поскольку оптическая сила линзы зависит от радиусов кривизны ее поверхностей, полимерные материалы должны позволять применение тончайших технологических процессов для получения линз с такими точными радиусами кривизны, чтобы задавать их оптическую силу с шагом в 0,5 диоптрий
Катаракта всегда была одним из самых распространенных глазных заболеваний. Слово красивое: в переводе оно означает «брызги водопада». На этом положительные ассоциации заканчиваются. Катаракта – помутнение хрусталика глаза, вызывающее различные степени расстройства зрения вплоть до слепоты.
Искусственный хрусталик – это миниатюрная (толщиной не более 1,5 мм) интраокулярная линза, которую изготавливают из акрила, силикона и других синтетических материалов. Ее устанавливают, делая разрез в глазном яблоке. Живой, но помутневший хрусталик удаляют.
«Материал должен обладать биосовместимостью, оптической прозрачностью, эластичностью, – говорит Александр Кондрашев-Луговской, директор экспериментально-технического производства – филиала ФГАУ «НМИЦ «МНТК «Микрохирургия глаза» им. академика С.Н. Федорова». – Офтальмохирургия развивается по пути малоинвазивных операций, предполагающих минимальное вмешательство в живые ткани. Хрусталик должен быть «мягкий», чтобы его можно было имплантировать через разрез, скажем, в 2 мм, свернув в трубочку. Также интраокулярная линза должна обладать хорошей памятью формы, потому что после помещения в так называемую капсулу хрусталика она должна плавно развернуться и установиться в правильном положении».
Памятью формы линза обладает благодаря трехмерной молекулярной структуре материала, из которого она изготовлена. Трехмерные пространственные полимеры построены из соединенных между собой макромолекулярных цепей. В качестве «мостиков», осуществляющих поперечную связь, могут выступать отдельные атомы или группы. Такие полимеры называют сетчатыми, или «сшитыми». Можно сказать, что весь объем полимера представляет собой одну макромолекулу.
Различный состав полимерных смесей позволяет получать большое количество свойств. Сложно пока представить на месте полимеров материалы другой природы, которые бы заменили их в составе искусственного хрусталика.
«Полимерные материалы имплантатов, заменяющих хрусталик, в подавляющем большинстве случаев не вызывают реакции тканей, и восстановление идет быстро, – говорит Артем Коротков. – Пациент, о котором я рассказывал, – молодой человек, которому меняли хрусталик после травмы, уже через месяц после операции смог вернуться к работе – сесть за руль, он водитель по профессии. Зрение удалось восстановить на 100%».
Точно в цель
Человечество пользуется лекарствами с незапамятных времен. Наиболее древним свидетельством этому является перечень препаратов, составленный за 3,5 тыс. лет до нашей эры шумером Лю-Лю. С тех пор фармацевтика шагнула далеко вперед, но до недавнего времени пациентам приходилось мириться с неизбежным спутником медикаментозного лечения – побочными действиями. Связано это с тем, что большинство лекарств, попадая в кровь, влияют не только на пораженную область, но и на другие части организма, вмешиваясь в их работу.
Решить эту проблему может наномедицина. Это передовое научное направление, в развитии которого заняты многие ведущие ученые. Один из них – Александр Кабанов, основатель лаборатории «Химический дизайн бионаноматериалов» МГУ им. М.В. Ломоносова.
Его отец – академик Виктор Кабанов – был одним из мировых лидеров науки о полимерах. Причем занимался не только фундаментальными исследованиями, но и вопросами их практической реализации. Так, под его научным руководством в СССР была внедрена технология производства полипропиленовых пленочных нитей с повышенными прочностными характеристиками, и он принял личное участие в ликвидации последствий чернобыльской аварии, предложив эффективную технологию подавления радиоактивной пыли.
Александр Кабанов, выпускник кафедры химической энзимологии химфака МГУ, начал заниматься проблемами доставки лекарств и наномедицины еще в СССР. В 1990-х он переехал работать в США, а спустя много лет благодаря правительственной программе мегагрантов вернулся в Россию и открыл в МГУ лабораторию, занимающуюся созданием новых технологий в области наномедицины.
«Безусловно, есть иголки, которыми можно ввести лекарство в определенную область тела человека, – говорит Александр Кабанов. – Но такое лечение нельзя назвать оптимальным, поскольку многие очаги заболевания труднодоступные. Как поступать, например, с онкологией, когда злокачественные клетки быстро и глубоко распространяются? Метастазирующий рак иголкой не достать. Именно в решении таких задач может помочь наномедицина».
Развитие технологии адресной доставки лекарств началось в 1960-х. Отправной точкой стала идея о том, что для попадания действующего вещества в цель его нужно «упаковать» в «контейнер» наноразмера (приблизительно 1:100 000 см). Подходящей «тарой» оказались липосомы – сферические внутриклеточные «сумки», позволяющие поместить в себя лекарство и удерживающие его посредством липидной оболочки, похожей на внешний слой человеческих клеток. Такие «контейнеры» реже распознаются организмом как чужеродные и лучше проходят через иммунную защиту. Как правило, в опухолях стенки сосудов «дырявые», поэтому нанолекарство быстро туда попадает и накапливается, достигая терапевтической дозы.
Однако с появлением липосомных «контейнеров» не решился другой вопрос, а именно гидрофобность (плохая растворимость) сложных лекарств, например паклитаксела – противоопухолевого препарата. Это вынуждает фармацевтов использовать значительные количества вредного для организма растворителя. В итоге в таком противораковом средстве, как «Таксол», на 1 г паклитаксела приходится более 100 г «балласта».
Ограничения помогают обойти полимерные мицеллы. Основа для их создания – блок-сополимеры, которые состоят из длинных цепочек, различающихся по растворимости. В водном растворе они сами собираются в наноразмерные частицы, имеющие гидрофобную внутреннюю часть (куда помещается лекарство) и гидрофильную оболочку.
«Применение адресной доставки лекарств с помощью полимерных мицелл снижает токсичность препаратов, а значит, позволяет увеличить концентрацию действующих веществ, – говорит Александр Кабанов. – Ученые стараются использовать для медицинских задач наиболее продвинутые материалы, поскольку от их свойств зависит эффективность лекарств».
Идеальный композит
Кость называют идеальным композитом. В ее состав входят минералы (главным образом гидроксиапатит кальция) и органические вещества (коллаген). Вместе они обеспечивают упругость и прочность кости. Но искусственные композиты при необходимости могут заменить природные аналоги. «Во многом благодаря полимерам удается расширять диапазон свойств материалов, из которых изготавливаются эндопротезы», – говорит Сергей Воронин, хирург-ортопед из Новосибирска, чей стаж превышает 20 лет.
Для этого применяется, например, полиэтилен высокой плотности («дублер» коллагена). Материал позволяет эндопротезу достичь упругости живой ткани, а его пористая матрица способствует однородному распределению наночастиц гидроксиапатита. В итоге живая ткань постепенно восстанавливается, срастаясь с эндопротезом. Происходит остеоинтеграция.
Среди клиницистов такие композиты получили название материалов «для долгой жизни». Износ эндопротезов важен: никому не хочется повторно ложиться на операционный стол. Современные полимеры могут служить до 30 лет.
Кстати, благодаря применению новых материалов в протезировании суставов список видов спорта, которыми не рекомендуется заниматься после замены живого «шарнира», сократился всего до четырех – это футбол, хоккей, гандбол и контактные виды борьбы.
Думать головой
Отдельная большая тема – краниопластика, то есть восстановление черепа. Одно из первых упоминаний о ней относится к XVI веку, когда итальянский врач Габриэль Фаллопий использовал пластины из золота для замещения костной ткани черепа. В дальнейшем применялось множество различных материалов – от костей животных до целлулоида, алюминия, серебра, стали и полиэтилена.
Вкладом отечественных разработчиков стало создание эндопротеза из реперена. Это пространственно-сшитый полимер из олигомеров метакрилового ряда. Из него методом фотополимеризации изготавливаются сетчатые пластины, готовые к применению.
«Пластины из реперена не противопоставляются металлическим, выбор материала зависит от ситуации, – говорит Сергей Тихомиров, врач-нейрохирург, практикующий в Областной больнице Тобольска. – Металлические пластины более сложны. Как правило, они используются при плановых операциях. Полимеры могут быть в «экстренном запасе», а реперен хорошо подходит для закрытия небольших по площади повреждений».
Реперен – биосовместимый материал. Его прочность выше кости той же толщины
Прочность реперена выше кости той же толщины. Он биосовместимый и биоинертный – это известный козырь полимеров. А благодаря перфорации пластины и заполнению пространства волокнами восстановившейся живой ткани происходит биологическая фиксация.
Сергей Тихомиров говорит, что провел несколько операций с применением такого передового метода, как стереолитографическая краниопластика. С помощью спирального томографа, которому достаточно минуты, чтобы сканировать весь череп пациента, получается 3D-модель дефекта. Ориентируясь на нее, из полимеров создается имплантат, который максимально соответствует области повреждения. Операции с использованием индивидуальных имплантатов «на потоке» выполняются в НИИ нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко.
Из перспективных разработок – новый тип имплантатов с памятью формы, применяемых без крепежей и фиксаторов в процессе операции. Такие решения прорабатываются учеными Центра композиционных материалов МИСиС. Суть в том, что имплантат печатается на 3D-принтере по заданным размерам, его в сжатом виде размещают на месте повреждения, а при нагревании он расширяется до требуемой формы и фиксируется в реставрируемых участках костей. «Сырьем» здесь должен служить биоразлагаемый материал полилактид. Конструкции из полимера заселяются живыми клетками, выделенными из костного мозга пациента, что стимулирует прорастание кровеносных сосудов и тканей. Со временем искусственный матрикс должен раствориться.
Использование полимерных мицелл снижает токсичность препаратов
Культивирование живых клеток на подложках-носителях называется скаффолд-технологией (от англ. scaffold – «строительные леса»). Здесь одна из проблем – получение материала, который «уйдет» не раньше и не позже нужного времени. В России пока полностью биодеградируемые имплантаты не выпускаются.
Однако многие группы исследователей работают в этом направлении. В том числе это ученые из Института биофизики СО РАН и Томского политехнического университета. С помощью плазменной обработки пленок из биополимера они получили образцы, которые обеспечивают прочное сцепление внедряемого материала с клетками соединительной ткани и стимулируют их рост. «Первые результаты обнадеживают. Мы видим, что у наших образцов изменились свойства поверхности, повысилась гидрофильность, они хорошо поддерживают рост клеток. Когда станет понятно, в каких условиях можно получить максимальный эффект, будем переходить на полноценные трехмерные изделия для реконструктивной медицины», – пояснила один из авторов исследования Татьяна Волова.
В общем порядке
Ранняя диагностика особенно важна при онкологии. Так, один из самых тяжелых видов рака – кожная меланома – в первой стадии вылечивается в 99 случаев. Увы, стандартное оборудование способно диагностировать лишь патологии с размерами от 1 мм, что в первую стадию не попадает
Ключевой вектор развития медицины – переход от лечения к профилактике заболеваний.
«Нужны методы, позволяющие выявлять отклонения при профилактическом осмотре, – говорит Валерий Захаров, заведующий кафедрой лазерных и биотехнических систем Самарского университета. – Причем для их создания нужно не просто совершенствовать уже имеющиеся технологии, а внедрять принципиально новые. Магнитно-резонансная и компьютерная томография – неплохие методы сканирования. Но рименение такого сложного оборудования для регулярных профилактических обследований человека явно нерентабельно. И сам пациент с ранней стадией рака вряд ли придет с жалобой, поскольку симптомов, как правило, нет».
Чтобы исправить ситуацию, ученые используют онкомаркеры, которые помогают выявить онкологическое заболевание. Пока каждый такой маркер чувствителен только к определенной форме рака.
«Следующий шаг – разработать технику, действующую на основе нелинейной спектроскопии. Любое химическое вещество имеет спектральный след, который уникален так же, как отпечатки пальцев человека. Появление веществ, характерных для различных заболеваний, на первых стадиях происходит в малых концентрациях. Это значит, что эффективность методов их обнаружения прямо зависит от чувствительности», – считает Валерий Захаров.
Спектральному анализу можно было бы подвергать все биожидкости, которые сдаются на анализ, и оперативно выявлять всех людей, у которых повышена вероятность начала заболевания. Возможно, в ближайшем будущем плановые диспансеризации будут происходить именно так.
Нефтехимия против радиации - ученые разрабатывают специальные материалы и изделия для защиты!
В чем полетим на Марс? Какая существует защита от ядерного излучения? Методы и материалы!
Друзья! Нам очень важно понимать, что мы пишем нужные и полезные статьи - пожалуйста, делитесь с нами вашими комментариями! Мы отвечаем всем и очень рады с вами общаться!)
Всегда ваши, команда Химиков)