Пластиковый стаканчик и вечная молодость: в России может появиться полимерный аналог кости человека

И это не шутка. Новая технология поможет пациентам с переломами и трещинами в костях не превратиться в киборга. Вместо металлических шурупов и скобок, которыми обычно скрепляют отломки и которые часто звенят при досмотре в аэропортах, разработчики предлагают вживлять в травмированные зоны композиты из пластика и донорских клеток.

Пластиковый стаканчик и вечная молодость

У новых костных имплантов, которые сконструировали ученые Национального центра детской травматологии и ортопедии имени Турнера, оказалось много общего с… одноразовой посудой и пакетами для покупок. И в альтернативной костной ткани, и в пластиковых стаканчиках используется полилактид.

СПРАВКА: Полилактид – полимер молочной кислоты. Его получают из возобновляемых ресурсов, таких как кукуруза, картофель и сахарный тростник.

А еще из этого полимера делают саморассасывающиеся нити для хирургов и добавляют в «уколы красоты», чтобы дольше не стареть.

«Полимолочная кислота активно используется в косметологии, она выполняет роль подтяжки, – рассказывает научный сотрудник экспериментальной лаборатории Юрий Новосад. – Но самое основное, она участвует в процессе омоложения, заставляет клетки активнее делиться».

До полилактида ученые исследовали другой уникальный материал – хитозан. Это производное хитина, вещества, которое содержится в панцирях крабов и придает им прочность. Но кости человека оказались крепче экзоскелета членистоногих.

СПРАВКА: Самая крепкая кость человека – большая берцовая. Она способна выдержать нагрузку в 1650 килограммов. Т.е. на нее может встать одновременно 27 человек – выдержит.

Самая умная клетка

По сути, ученые предлагают использовать полилактид в качестве арматуры для новой костной ткани. Этот полимер биосовместим с нашим телом – оно не воспринимает материал как чужака. Значит, аллергия или отторжение маловероятны.

А еще он – биорастворим. Спустя время это высокомолекулярное соединение разлагается и выводится из организма. Происходит это не в один момент, конечно.

«На это обычно уходит от двух до пяти лет, в зависимости от типа полилактида, – говорит Юрий Новосад. – Глобальная идея – взять его за матрицу, поместить внутрь гель с клетками и заставить эти клетки делиться и формировать собственную костную ткань».

Алгоритм получается такой: сначала сканируют повреждение кости и делают модель отломка. В трещину устанавливают решетку из полилактида, напечатанную на 3D-принтере, «фаршированную» клетками человека. Пока они делятся, полимер разрушается, освобождая место для новой ткани. В качестве «строительного» материала ученые планируют использовать самые умные клетки организма – стволовые.

«Мы хотим, например, заместить дефект хрящевой ткани, т.е. дефект который возник в результате травмы, артроза, спортивной какой-то истории или некроза, заместить его продуктом из мезенхимальных стволовых клеток», – говорит ординатор Национального медицинского исследовательского центра детской травматологии и ортопедии имени Турнера Полина Першина.

СПРАВКА: Мезенхимальные стволовые клетки могут дифференцироваться в остеобласты, хондроциты, миоциты, адипоциты и еще во много чего. Удивительно, но эти клетки сами решают, кем им стать в процессе деления. Они есть в костном мозге, жировой ткани, пуповине, амниотической жидкости и даже в зубах нижней челюсти.

Крепче стали

В лаборатории Юрий Новосад с помощью разрывной машины испытывает матрицу из полилактида на прочность. Крошечный кубик, который 3D принтер старательно печатал 6 часов, ученый ломает за несколько секунд.

«Когда мы разрабатываем какой-то новый материал, который будет имплантирован вместо сосуда или вместо кости, мы должны знать истинную механику того органа, куда это будет имплантироваться потом, – поясняет Юрий Новосад. – Мы должны знать, какая плотность у настоящей кости. Но если мы ее забрали из организма, а любой биологический объект состоит из клеток, он начинает достаточно быстро гибнуть».

Вне тела все человеческие органы и системы быстро разлагаются. А значит, теряют свою форму, плотность. Из-за этого раньше было сложно сравнить характеристики настоящей кости и искусственной. Реплики получались далекими от оригиналов: либо слишком хрупкими, либо – очень крепкими. А разрывная машина имитирует температуру и влажность, которые окружают наш скелет внутри тела. Для этого в специальную камеру помещают физраствор и нагревают его.

«Мы подбираем значения максимально приближенные, – поясняет ученый. – Если решетка получится слишком прочной, а кость будет мягче – то она будет просто разрушаться. А если получится слишком мягкая, то никакую нагрузку туда нельзя будет приложить, сломается конструкция, и все».

Плотность и жесткость конструкции для каждого больного будут подбирать индивидуально – персонифицированный подход. Донором стволовых клеток пациент выступит сам для себя, чтобы избежать риска отторжения.

Тише едешь – дальше будешь

Как только ученые подберут подходящую структуру ячеек полилактидной сетки, начнутся испытания на кроликах. Результаты будут минимум через два года. Все из-за особенностей биологических процессов: новая костная ткань формируется долго, ускорить этап не получится. Природа умнее любого ученого – если ее торопить, клетки могут взбунтоваться, и вместо здоровой ткани вырастит опухоль. Поэтому специалисты не торопятся.

«Это все-таки пластик, – добавляет Юрий Новосад. – Он очень легко может обрастать фиброзной капсулой, и это самая большая проблема данного материала».

Технология поможет только при незначительных повреждениях костей – то есть использовать ее можно только фрагментарно, как в конструкторе. Для более объемных вмешательств, например замены суставов – есть титан, который хорошо себя зарекомендовал.

Зато методика станет настоящим спасением для малышей, которые только растут. Сегодня таким пациентам требуются частые вмешательства, хирургам приходятся регулярно проводить болезненные операции на косточках, которые под действием гормона роста увеличиваются. Остаются шрамы… Полилактидные имплантаты можно будет вживлять через небольшие разрезы, которые быстро заживут. Лечить получится переломы, остеопорозы и даже остесаркомы.