Даже самые качественные имплантаты, невзирая на расположение протеза и цель его эксплуатации, вызывают ответ иммунной системы, известный как реакция на инородное тело. В результате вокруг имплантата образуется плотная капсула из соединительной ткани, развивается хроническое воспаление, а иногда — инфекции. По данным исследований, до 30% осложнений после имплантации связаны именно с этой проблемой. Чтобы избежать этого, пациентам назначают специальное лечение, «усыпляющее» иммунитет, чтобы он не реагировал на имплантат. Однако это чревато ослаблением организма и большей подверженностью вирусным заболеваниям. Ученые Пермского Политеха и Уро РАН разработали метод обработки имплантатов ионным пучком, который делает материал протеза «невидимым» для иммунитета. По результатам тестов это позволило снизить концентрацию воспалительных клеток в 5-12 раз.
Статья опубликована в журнале Material, Design and Biological Studies of Bones & Implants. Исследование профинансировано правительством Пермского края.
Современная медицина активно использует имплантаты для замены поврежденных тканей и восстановления функций организма. Среди самых распространенных — искусственные суставы (например, тазобедренные и коленные), кардиостимуляторы, зубные имплантаты, грудные и сосудистые протезы, а также сетки для лечения грыж.
Когда в организм попадает искусственный имплантат, его поверхность мгновенно покрывается слоем естественных белков из окружающих тканей. Контактируя с искусственным материалом, они слегка меняют свою природную структуру, подстраиваясь под чужеродную поверхность. Это становится своеобразным «сигналом тревоги» для иммунной системы.
Специальные клетки-стражи (макрофаги и нейтрофилы) распознают такие клетки и запускают цепную реакцию защиты. Организм воспринимает имплантат как угрозу и начинает «атаку». Так возникает воспаление, а вокруг инородного тела формируется плотная капсула из соединительной ткани. Это универсальный механизм защиты, который срабатывает при контакте с любым искусственным материалом, будь то медицинская сталь, пластик, керамика или полиуретан.
Традиционные методы, позволяющие избежать воспаления, имеют побочные эффекты. Наиболее частый пример – иммуносупрессивная терапия. Это лечение, которое временно «усыпляет» иммунитет, чтобы он не атаковал собственный организм и пересаженные инородные тела. Проблема в том, что вместе с этим человек становится уязвимым к инфекциям. Именно поэтому ученые всего мира ищут способы обмануть систему, создавая «невидимые» для иммунитета материалы, которые будут восприниматься как «свои».
Ученые ПНИПУ предложили покрывать поверхность имплантатов высокоэнергетическими ионами азота. Под воздействием такой обработки структура материала меняется: на поверхности образуются особые микроскопические молекулярные структуры. Они действуют как «крючки», к которым прочно прикрепляются белки организма. В результате иммунные клетки не видят имплантат как что-то чужеродное и не пытаются его атаковать.
Несмотря на то, что метод подойдет под протез из любого материала, для проверки эффективности использовали образцы из полиуретана, поскольку он хорошо обрабатывается ионной плазмой. Такой тип имплантатов чаще всего применяют в сердечно-сосудистой хирургии (искусственные клапаны, сосудистые стенты), урологии (катетеры), травматологии (мягкие протезы) и даже в косметологии (филлеры).
– Мы провели эксперименты на лабораторных мышах, имплантировав им обработанные и необработанные полиуретановые диски. Через 1 и 5 месяцев изучили реакцию тканей, измерили толщину соединительнотканной капсулы вокруг имплантатов. Затем подсчитали количество иммунных клеток, которые указывают на воспаление, – рассказывает Валерий Литвинов, старший научный сотрудник кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат медицинских наук.
Результаты подтвердили, что обработанные ионом имплантаты вызывали значительно меньшую реакцию. Толщина фиброзной капсулы вокруг обработанных имплантатов была в 2–4 раза меньше, чем у необработанных. Концентрация воспалительных клеток при этом снизилась в 5–12 раз. Выявили оптимальную доза облучения — около 10¹⁵ ионов/см². Более интенсивная обработка может повредить поверхность и снизить эффект.
Ученые также отмечают, что имплантат необходимо вживлять сразу после обработки, чтобы достичь максимального эффекта. При длительном хранении активность поверхности снижается, поэтому важно минимизировать время между обработкой и операцией.
Исследование ученых Пермского Политеха и Уро РАН позволит увеличить срок службы имплантатов, снизить риск развитие осложнений для пациентов. Уже сейчас технология может быть применена в кардиологии, ортопедии и пластической хирургии, а в перспективе – быть адаптирована для других биосовместимых материалов.