Раненых солдат, вернувшихся из Афганистана, лечили современными методами. Микрохирурги из Военно-медицинского центра в Сан-Антонио заменяли поврежденные ткани здоровыми и имплантировали в них кровеносные сосуды. Но исход лечения оставался непредсказуемым. Иногда сосуды не снабжали пересаженный материал кровью в том количестве, какое необходимо для его приживления. Когда Конор Эванс (Conor Evans), химик, работающий в Гарвардской медицинской школе и Уэллманском центре фотомедицины при Массачусетской больнице, посетил в 2010 г. Сан-Антонио и осмотрел солдат, он обнаружил, что устройства, которые отслеживают содержание кислорода в транспланте, не работают надлежащим образом и не подают сигнал тревоги, когда начинается отторжение. «То, что делают врачи, — это фантастика, — сказал он. — Но используемые датчики сводят все усилия на нет».
И Эванс решил усовершенствовать повязку, начав с того, что пропитал ее растворами красителей, которые реагируют на содержание в ней кислорода.

 

«Цвет повязки менялся, как меняется цвет огней светофора: от зеленого к желтому и оранжевому до красного — в зависимости от концентрации кислорода», — объясняет Эванс. После успешных испытаний на животных в 2014 г. он получил разрешение на проведение клинических испытаний.

Взяв на вооружение появившуюся недавно возможность работать с материалами размером в миллиардные доли метра, Эванс и его коллеги смогут не только гораздо точнее оценивать ход заживления, но и превращать повязку в систему адресной доставки лекарственных средств. «Нанотехнологии позволяют и контролировать количество высвобождаемых веществ, и точно попадать в нужное место раны», — говорит Пола Хаммонд (Paula Hammond), химик из Массачусетского технологического института. Это гораздо лучше, чем наводнять организм лекарствами, из которых только малая часть достигнет цели.

 

Тайное становится явным

 

С плохим заживлением ран по причине дефицита кислорода сталкивается ежегодно более 6 млн жителей США, а их лечение обходится в $25 млрд. Обычно для определения концентрации кислорода в поврежденных тканях хирурги вводят в них игольчатые электроды, но это болезненная процедура. К тому же измеряется концентрация только в одной точке. Повязка Эванса позволяет получить картину распределения кислорода по всей ране.

В ней используется смесь двух красителей. При освещении повязки синим цветом один из них испускает ярко-красный свет, второй — зеленый. Молекулы кислорода тушат красную фосфоресценцию, и если прилегающие ткани им богаты, повязка становится зеленой. Но если рана плохо снабжается кислородом, на ней появляются желтые, оранжевые и, наконец, красные пятна, сливающиеся в одно большое ярко-красное пятно — сигнал тревоги.    Ключевой элемент методики — наночастицы, присоединяемые к молекулам красного красителя.

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Повязку, защищающую рану, можно использовать как систему целевой доставки лекарственных веществ, применяя наноматериалы.
Помещая между слоями повязки лекарственные вещества в виде наночастиц, можно контролировать количество препарата, поступающего к пораженному участку.
Повязки-детекторы позволяют следить за состоянием обширных ран. Кроме того, из них в рану поступают молекулы, которые блокируют синтез белков, отрицательно влияющих на заживление.
Послойное покрытие стентов наноматериалами, которые включают ДНК, кодирующую некий терапевтический белок, ускоряет заживление, обеспечивая длительное поступление последнего к пораженному месту.

 

 

Каждая такая частица представляет собой так называемый дендромер, разветвленную, похожую на дерево, молекулу до двух нанометров в поперечнике. Эта молекулярная «завеса» предотвращает тесное сближение соседних молекул и взаимное тушение их фосфоресценции. Она также физически блокирует доступ части молекул кислорода к красителю: на фоне низкого начального содержания кислорода любые изменения становятся более заметными.

Медицинская сестра может сфотографировать повязку и переслать снимок врачу, который при необходимости скорректирует циркуляцию крови и кислорода в проблемных участках раны. Повязку Эванса можно использовать и в домашних условиях, консультируясь с врачом через Интернет.
Группа, которой руководит Эванс, синтезировала альтернативные красители, более эффективно «превращающие» синий цвет в красный. «Наши новые повязки испускают такой яркий свет, что его видно даже при крайне низких концентрациях красителя в залитой солнцем комнате, — говорит Эванс и добавляет: — В будущем такая повязка после усовершенствования сможет применяться для введения в рану лекарственных веществ».

 

Целительная повязка

 

В лаборатории Хаммонд уже проводятся тестирования повязок, пропитанных наночастицами с лекарственными веществами. Оболочки этих частиц таковы, что через них медленно выходят наружу молекулы РНК или белков, блокирующие клеточные процессы, которые мешают заживлению ран. Так называемые малые интерферирующие РНК (миРНК), связываясь с генами, которые кодируют белки, отрицательно влияющие на процесс, выключают эти гены.

Можно «загрузить» миРНК в сферические капсулы диаметром примерно 200 нм, оболочка которых состоит из фосфата кальция, поместить их между двумя слоями положительно заряженного биополимера и покрыть одну поверхность такого «сэндвича» отрицательно заряженным клеящим веществом. До 25 «сэндвичей», сложенных в стопку, образуют лоскут толщиной примерно полмикрона, который помещают на нейлоновую основу.

Ферменты, присутствующие в теле больного, постепенно разрушают слои, из повязки медленно, в течение недели, высвобождаются молекулы РНК и проникают в рану. Постепенность процесса уменьшает вероятность побочных эффектов, часто возникающих при однократном введении препарата в больших дозах, и гарантирует присутствие лечебного средства на всем протяжении процесса заживления.

Хаммонд использовала свою послойную повязку для введения в организм подопытных мышей, больных диабетом, белкового препарата, который способствует заживлению язв, характерных для данного заболевания. Этот препарат сейчас применяется в составе мази, но, по словам Хаммонд, его эффективность невысока: после быстрого высвобождения активного вещества он перестает действовать уже через 24 часа. В отличие от этого повязка обеспечивает равномерное поступление медикамента в течение пяти-семи суток, что создает оптимальную его концентрацию в пораженном месте.

Послойная компоновка помогает при лечении больных с поражениями коронарных артерий, обусловленными образованием бляшек. Традиционно лечение таких больных заключается в расширении артерии путем баллонирования и введения в место сужения сетчатой трубки из нержавеющей стали — так называемого стента. Иногда в стенты включают вещества, предотвращающие охлопывание артерии, но больные в любом случае должны принимать препараты, уменьшающие риск отрыва тромбов в месте проведения операции.

По мнению Дэвида Линна (David Linn), химика из Висконсинского университета в Мадисоне, достойной альтернативой в таких случаях выступает применение ДНК, постепенно высвобождаемой из структур с нанопокрытием. Чтобы ускорить естественный процесс залечивания пораженных сосудов, который включает синтез некоего белка, Линн покрыл стент несколькими слоями сегментов ДНК, кодирующих «лечебный» белок, и биодергадируемого полимера; толщина каждого слоя составила несколько нанометров. Изменяя число слоев, можно регулировать количество проникающей в стенку сосуда ДНК. Эксперименты на свиньях показали, что ДНК высвобождается из стента и попадает в прилегающие ткани в течение многих дней. Слегка модифицировав дизайн покрытия, можно изменять скорость высвобождения ДНК. «Мы можем менять скорость высвобождения и время в диапазоне от нескольких секунд до месяцев, изменяя структуру полимера», — говорит Линн.

Приемы, о которых мы здесь говорили, пригодны для решения широкого круга задач. Линн использует свой метод для высвобождения препаратов (коротких сегментов белковых молекул), прерывающих коммуникацию между бактериями. Разобщенные бактериальные клетки не могут образовывать плотные пленки, которые защищают их от антибиотиков. Эванс, в свою очередь, с помощью фосфоресцирующих красителей, вводимых в образцы тканей, выявляет опухолевые клетки, плохо снабжаемые кислородом и резистентные к химиотерапии. В этом году он планирует опробовать свой метод в опытах на животных. Таким же способом можно идентифицировать патогенные бактерии в ранах. «Применению наноматериалов нет границ!» — считает Эванс.

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Polyelectrolyte Multilayers Promote Stent-Mediated Delivery of DNA to Vascular Tissue. Eric M. Saurer et al. in Biomacromolecules, Vol. 14, No. 5, pages 1696-1704; May 13. 2013.
Nanolayered siRNA Dressing for Sustained Localized Knockdown. Steven Castleberry in ACS Nano, Vol. 7, No. 6, pages 5251-5261; June 25, 2013.
Surface Coatings That Promote Rapid Release of Peptide-Based AgrC Inhibitors for Attenuation of Quorum Sensing in Staphylococcus aureus. AdamH. Brodericketal. in Advanced Healthcare Materials, Vol. 3, No. 1, pages 97-105; January 2014.