"Внутри организма можно спокойно поставить искусственную «запчасть» объемом пол-литра"

Ученый рассказал, как в Курчатовском институте создают природоподобные материалы для медицины

 

Полимеры окружают нас повсюду. Да и сами мы во многом состоим из высокомолекулярных соединений. Наша генетическая спираль ДНК — это полимер, коллаген (наш естественный каркас, составляющий основу различных тканей) — тоже полимер, ну а вместе с ним кожа, хрящи, кости, волосы основаны на полимерах! Можно сказать, что это материалы, которые подсказала нам сама природа. В НИЦ «Курчатовский институт» подобные подсказки не пропускают — копируют материалы или создают природоподобные образцы, получая порой нечто совсем новое. Вот, к примеру, материал, который, словно паутина, обволакивает рану, не принося больному дополнительных страданий, или плотный, но совсем невесомый «воздух» — материал, на 98% действительно состоящий из воздуха и всего на 2% из полимера. Об этом и многом другом нам рассказал заместитель руководителя по научной работе Курчатовского комплекса НБИКС природоподобных технологий кандидат физико-математических наук Тимофей ГРИГОРЬЕВ.

 

Мы встретились с Тимофеем Евгеньевичем в лаборатории полимерных материалов, которая входит в отдел нанобиоматериалов и структур Курчатовского комплекса НБИКС природоподобных технологий.

— В нашем отделе все начинается с полимеров, — предваряет рассказ мой собеседник, — из них мы создаем самые разные изделия, материалы и продукты, такие как конструкционные пластики, каркасы искусственных органов и средства доставки лекарств от рака и туберкулеза.

Полимеры, по словам Григорьева, отличаются от низкомолекулярных соединений, например глюкозы, тем, что молекулы в них связаны в неразрывную цепочку. И именно это определяет их волшебные (уникальные) свойства: эластичность, малую хрупкость, способность значительно менять свои характеристики при малом изменении внешних условий. Интересно, что кроме всем известных продуктов нефтехимического синтеза, которые присутствуют в нашей жизни: полиэтиленовых пакетов, линолеума и труб из поливинилхлорида, — мы сами состоим из полимеров и окружены ими со всех сторон в природе. К сведению читателей: первое место на земле по распространенности занимает природный полимер глюкозы — целлюлоза, структурный полисахарид оболочек всех высших растений, второе — хитин, основной структурный компонент членистоногих и ряда других беспозвоночных. Человека и прочих животных с их ДНК и коллагеном, которые также являются полимерами, можно поставить лишь на третье место, потому что деревьев и ракообразных на земле все-таки больше.

— Итак, вы взяли за образец природные полимеры и стали создавать синтетические по их образу и подобию? — спрашиваю я Григорьева.

— Можно сказать, что в основном мы следуем за природой, но наши синтетические полимеры все-таки пока уступают природным. До полного сходства нам еще далеко, хотя иногда нам удается создать совершенно новый продукт, которого никогда не было в природе. Все начинается с химии в наших больших химических лабораториях, где мы собираем полимеры из мономеров, как бусы из разноцветных бусинок. Последовательность «бусинок» влияет на свойства всего полимера. К примеру, полистирол — жесткий, поливинилхлорид — мягкий, хотя различие у них в одной группе атомов.

 

Почтальоны-невидимки

— Над чем вы сейчас работаете?

— Направлений у нас много. Многие связаны с медицинскими технологиями. Врачи ставят перед нами задачу, а мы думаем, как ее решить. Начнем от самого простого и невидимого глазу. Вы, наверное, слышали о биоразлагаемом материале полилактиде, который используется в качестве хирургических нитей? Делаем из него маленькую частичку нанометрового размера, которую невозможно увидеть даже в оптический микроскоп, так как она меньше длины световой волны. Если «запаковать» в нее лекарственное вещество, она превращается в идеальный носитель медикаментов для доставки в пораженный болезнью орган. Естественно, речь идет не о лечении насморка, а о таких серьезных заболеваниях, как туберкулез или рак, которые требуют длительной терапии. Задача наших химиков и физиков состоит в том, чтобы создать такой носитель-полимер, который будет «растворяться» в организме с заданной скоростью, чтобы в больной орган постоянно попадала определенная доза постепенно высвобождаемого лекарства. Ведь лекарство от рака само по себе яд, и действовать с ним надо очень аккуратно.

Рассказывая о наночастицах полилактида, Григорьев достает с полки колбу с прозрачной на первый взгляд жидкостью. Но, оказывается, это не совсем так. В воде находятся те самые частицы полимера-«почтальона», которые доставляют нужные лекарства к органам. Если покрутить колбу на свету, то можно заметить, что свет лишь немного рассеивается в воде.

— Если бы частицы были крупнее, то перед нами была бы жидкость, напоминающая молоко, — поясняет ученый. — Для того чтобы увидеть такие частички, чтобы контролировать их размеры, степень кристалличности полимера в них и таким образом управлять их свойствами, мы пользуемся электронной, атомно-силовой микроскопией и рентгеновским рассеиванием на синхротроне.

— А что будет, если частицы увеличить?

— Мы увеличиваем их до микронов и получаем уже не внутривенное, а внутримышечное лекарство, которым, к примеру, можно лечить алкоголизм. С такой «прививкой» отпадает необходимость ежедневно помнить о приеме таблеток — лекарство дозированно выделяется в организм по мере разложения полимерной частички.

— Что-то уже внедрено в практику?

— Мы создаем частицы-носители и стараемся внедрять туда лекарство. Во многом работа сделана. Но от лаборатории до применения таких средств может пройти 10–15 лет — медики должны убедиться в отсутствии побочных вредных эффектов.

 

Человек меняет кожу

Идем дальше: из того же самого полимера, описанного выше, можно сделать волокна толщиной от 100 нанометров до 200 микронов — получается вполне осязаемый нетканый материал.

— Полилактид, сформированный в волокна, по своим свойствам очень похож на коллагеновый каркас, на котором вырастают наши клетки, — поясняет Тимофей Евгеньевич. — Если на него посадить клетки пациента, они начнут прилипать, размножаться и проникать внутрь этого каркаса, формируя полноценные клеточные слои. Первое, что приходит в голову, после получения такого материала, — это лечение ожогов и ран. До сих пор во многих клиниках, чтобы покрыть рану, лоскут кожи нужного размера срезают с самого пациента. Но, используя нашу разработку, нужный лоскут можно вырастить в течение месяца. Однако мы должны быть уверены, что клеточные технологии, которые используются при этом, не принесут человеку никакого вреда. А потому их в обязательном порядке сначала испытывают на животных. В частности, у нас есть первые результаты: кожный дефект лабораторной крысы был ликвидирован за 8 дней. К слову, подобные технологии уже давно развиваются и в России, и за рубежом, но именно нам удалось достичь наибольших результатов с нетканой биоразлагаемой подложкой для клеточного материала.

Тимофей Григорьев ставит на стол кисть руки. Искусственную, опутанную, словно паучьей нитью, в несколько слоев. Это новое раневое покрытие, которое защищает любое повреждение на теле человека от внешней среды, но практически не ощущается им, и удаляется совершенно безболезненно. Создать атравматический перевязочный материал — такую задачу поставили хирурги перед учеными Курчатовского института, и те с ней справились. Каждое волокно в данной «повязке» толщиной с микрон.

— Мы наслаиваем его, словно паутинку, — поясняет ученый. — Можно добавлять к этой «вате» лекарственные вещества. В клиниках подобное средство уже может применяться, но, к сожалению, до широкого использования еще много работы. Мы сделали научную часть, теперь необходимо маленькое производство, чтобы произвести необходимое количество материала для доклинического исследования, а потом его можно внедрять. Вот если бы нам донести до предпринимателей мысль о том, что в ближайшем будущем подобные перевязочные материалы будут в каждой второй «скорой помощи»…

 

Воздух, который можно потрогать

Двигаемся дальше по мере роста размера изделий. Перед нами странное пористое изделие, которого не существует в природе, но его образец есть в лаборатории Курчатовского комплекса НБИКС природоподобных технологий. В нем всего 1–2% полимеров, остальное — воздух. Такой материал очень нужен хирургам.

— То есть вы держите сейчас в руках воздух? — не веря своим глазам, задаю я вопрос Григорьеву.

— Да, и при этом он довольно упругий. К примеру, если его поместить в область плевральной полости, где вместо удаленной части легкого образуется пустота, он может удерживать оставшуюся часть легкого от перерастяжения после операции. Коллеги из Центра НМИЦ фтизиопульмонологии и инфекционных заболеваний пришли к нам в свое время именно с такой задачей. А другие коллеги из Института медико-биологических исследований и технологий подсказали, как сделать, чтобы это было безопасно для живого организма. В результате уже сейчас мы можем сказать, что искусственную «запчасть» объемом пол-литра можно спокойно установить внутрь организма, и со временем она рассосется без остатка, когда родные ткани легкого нарастут на этот каркас.

— За границей есть что-нибудь подобное?

— Не слышал.

— Где еще можно использовать этот чудо-материал?

— Он может быть использован для уплотнения объемных тканей при различных операциях.

Теперь врачи ставят перед учеными очередную сверхзадачу — просят создать пористый материал весом с воздух, но обладающий такой упругостью, чтобы из маленькой трубочки он мог по мере надобности развернуться в организме больного до полноценного размера того или иного органа. При этом чтобы ткань, как и та, что демонстрирует нам Тимофей Евгеньевич, была прочной и биоразлагаемой.

— Очень часто, получив от нас нужный материал, медики говорят, что и не мечтали ни о чем подобном, — говорит Григорьев. — И, скажу по секрету, мы уже почти знаем, как удовлетворить их очередной запрос.

 

Диапазон использования полимерных материалов, создаваемых в Курчатовском комплексе НБИКС природоподобных технологий, так велик, что все разработки его сотрудников просто невозможно осветить в одной статье. Здесь создаются и искусственные сосуды, и трахеи, которые почти один к одному повторяют органы человека. А последняя разработка, связанная с протезированием зубов при помощи полимерных материалов, может вообще поднять эту область медицины на высочайший уровень, потому что подобного нет нигде в мире. Главное, чтобы государство и бизнес осознали реальную выгоду от наукоемких технологий, создаваемых российскими учеными, и максимально ускорили их внедрение в жизнь.

По материалам: Наталья Веденеева, "MK"

 Опубликовано:  1 сентября 2018