Теоретические предпосылки к выбору материала для матрицы биоинженерной конструкции искусственной роговицы

    Дефицит трупных роговиц человека для трансплантации является одной из наиболее актуальных проблем в офтальмологии и трансплантологии [2, 3]. В этой связи актуальна проблема создания биоинженерной конструкции искусственной роговицы на основе биополимерной матрицы [4, 11, 12, 19, 21, 24, 27, 37, 40]. Матрица определяет механические свойства, форму имплантата, формирует субстрат для адгезии клеток, является субстратной подложкой для прикрепления клеток, задает топологию фокальных адгезивных комплексов, инициирует каскад внутриклеточных сигналов, вызванных механическим напряжением клеточной мембраны [8]. Только выраженная адгезия клеток к материалу матрицы способна инициировать кластеризацию клеточных рецепторов и активировать экспрессию генов, вовлеченных в пролиферацию и дифференцировку заселенных на матрицу клеток [28]. Взаимодействие с субстратом матрицы определяет поляризацию клеток, изменение их морфологии, пространственную ориентацию компонентов цитоскелета, клеточных органелл и организацию внутриклеточного транспорта [8]. Регуляторные факторы субстрата влияют на репертуар синтезируемых клетками компонентов внеклеточного матрикса, являющихся, в свою очередь, источником сигналов, определяющих функциональное состояние клетки [38]. Таким образом, материал, из которого изготовлена матрица, является своеобразным инструктором для пролиферирующих клеток, задавая им строго определенный фенотип и межклеточную архитектонику. Матрица должна быть пористой, биосовместимой и биоинертной, подверженной биодеградации [18, 26, 29], обладать биомеханическими параметрами, аналогичными той ткани, которую будет замещать биоинженерная конструкция. Перечисленные требования к материалу являются обоснованием выбора матрицы для биоинженерного конструирования клеточно-тканевых эквивалентов.

    Матрицы в современных биоинженерных конструкциях в основном выполнены из биополимерных материалов и их производных – альгинатов, хитозана, волокнистых структур коллагена, шелка паутинной нити [1, 5, 6, 35, 36].

    Мы проанализировали основные свойства этих материалов с целью выбора предпочтительного для создания матрицы биоинженерной конструкции искусственной роговицы.

    Альгинат представляет собой полисахарид, полученный из бурых водорослей [22]. Он обладает такими свойствами, как биосовместимость и биоинертность, биодеградация и заданная пористость [16, 33]. Тем не менее, у альгината есть недостатки, к которым относятся низкие механические свойства и недостаточная адгезия клеток для создания отдельных слоев искусственной роговицы [16].

    Хитозан получают из хитина, который присутствует в твердом экзоскелете моллюсков, креветок и крабов [13]. Хитин является одним из наиболее распространенных полисахаридов в природе, что делает хитозан относительно недорогим продуктом. Хитозан вызвал интерес в биоинженерной области из-за нескольких положительных свойств: биоинертности, легкости обработки (в отличие от синтетических полимеров, хитозан растворим в водных растворах в зависимости от заданных значений рН), также он обладает контролируемыми механическими свойствами, например, заданной пористостью матрицы, имеет химические группы для взаимодействия с другими молекулами [39]. Трудности с использованием хитозана как полимерной матрицы в биоинженерии заключаются в ее недостаточной прочности, хрупкости, длительной биодеградации и индукции непредсказуемой девиантности в поведении трансплантированных клеток [31].

    Коллаген является главным компонентом соединительной ткани, составляет более 30% общей массы белков организма, нетоксичен и неканцерогенен, обладает слабой антигенностью, высокой механической прочностью и устойчивостью к тканевым протеиназам, способен образовывать комплексы с биологически активными веществами, принадлежит к числу наиболее хорошо изученных белков [7, 34].

    Однако и у коллагена есть ряд недостатков для конструирования отдельных слоев искусственной роговицы, связанных с его слабыми адгезивными свойствами как субстрата для трансплантируемых клеток. Помимо этого, в зависимости от способа обработки коллагеновой матрицы, могут возникать нежелательные изменения в поведении клеток, связанные с пролиферацией, миграцией, реорганизацией коллагеновых волокон и, в конечном итоге, преждевременным изменением формы самой матрицы [25, 41].

    Поскольку все вышеперечисленныебиополимеры возможно сополимеризировать с другими биологическими и (или) синтетическими материалами и тем самым увеличивать прочностные свойства и воздействовать на поведение клеток, было предложено большое количество комбинированных матриц [10, 14-17, 23, 30, 32, 42]. Однако, по нашему мнению, ни одна из предложенных не удовлетворяет в полной мере всем требованиям, предъявляемым к матрицам для конструкции искусственной роговицы, а именно: прозрачностью, заданной пористостью, высокой прочностью на разрыв и эластичностью, биосовместимостью, биодеградацией, высокой адгезивностью и биоинертностью [1, 18, 26, 29], в связи с чем мы провели поиск новых, наиболее предпочтительных, биополимерных материалов для создания матрицы искусственной роговицы.

    По нашему мнению, одним из таких перспективных материалов является шелк паутинной нити и его синтетические производные. Успехи в расшифровке генов, отвечающих за синтез специфических белков паутины, и создание их синтетических аналогов позволили получить материал, подобный природному шелку – спидроин [1]. К настоящему времени в доступной литературе представлены только единичные работы, посвященные конструированию матриксов костной, хрящевой, нервной тканей на основе биополимерного белка спидроина [9, 20].

    Спидроин обладает выраженными механическими свойствами, высокой адгезивностью, биоинертностью, биосовместимостью, устойчивостью к условиям внешней среды, абсолютной прозрачностью, что делает его материалом выбора для создания 3D матрицы искусственной роговицы.

    Заключение

    Таким образом, проведенный нами анализ литературы позволил определить положительные и отрицательные качества биосинтетических материалов для создания биоинженерных конструкций матрицы искусственной роговицы.

    В связи с тем, что матрицы из коллагена, хитозана, альгината имеют ряд недостатков в качестве субстрата для адгезии клеток и низкие механические свойства, по нашему мнению, они являются менее пригодными для конструирования матрицы искусственной роговицы.

    Нам представляется, что синтетический аналог белка паутинной нити спидроин благодаря своим уникальным свойствам является наиболее перспективным материалом для создания матрицы биоинженерной конструкции искусственной роговицы.