1.7. Анализ материалов для доставки факторов роста в ткани роговицы

    Выбор материала носителя – один из важнейших этапов будущего применения факторов роста в кератопротезировании. Ведь, помимо основных требований, предъявляемых к носителям для доставки факторов роста, материал должен максимально удовлетворять хирургической специфике, в частности, быть эластичным и тонким, чтобы избежать излишнего давления на ткани роговицы и легко имплантироваться интрастромально, а также обладать способностью удерживать швы.

    Как уже говорилось ранее, локальное высвобождение макромолекулярных факторов необходимо для предотвращения побочных эффектов, связанных с их воздействием на нецелевые ткани, либо с их высокой концентрацией в месте инъекции. Также, важным преимуществом локального высвобождения факторов роста является пролонгация действия, которая обеспечивается замедленным выходом белковых молекул из матрицы.

    Можно выделить три основные группы материалов, применяемых для доставки факторов роста: синтетические полимеры, биокерамика и природные полимеры [118, 178].

    1.7.1. Синтетические полимеры

    Синтетические полимеры в основном делят на две группы: биодеградируемые и небиодеградируемые. Биодеградируемые материалы включают полилактид, полигликолид, их сополимер полилактогликолид, поликапролактон, полицианоакрилат и другие. В группу небиодеградируемых полимеров входят поливиниловый спирт, полигидроксиэтилметакрилат, поли-N-изопропилакриламид и другие. Благодаря большому количеству методов синтеза и обработки материалов данной группы можно легко получить как необходимую форму, так и широкий спектр физико-химических свойств матриц [85, 93].

    Полилактид – биодеградируемый, термопластичный, алифатический полиэфир, большим плюсом которого является хорошая биосовместимость, к тому же вариации форм полилактида позволяют добиться приемлемой скорости деградации и механической прочности [158, 212, 106]. Недостаток данного полимера заключается в слабой и неравномерной гидратируемости, и соответственно, неравномерном распределении биологически активных веществ и клеток. К тому же, продуктами его распада являются СО2 и вода, что приводит к локальному закислению матрикса [118, 178]. Не исключены воспалительные реакции при введении полилактида в организм. Также этот материал показывает недостаточную прочность при сжатии [80, 171].

    Полигликолид – это самый простой линейный алифатический полиэфир, представляющий собой полимер гликолевой кислоты [212]. От полилактида он отличается высокой степенью кристалличности из-за отсутствия в структуре боковых метильных групп и низкой скоростью деградации. В регенерации костных тканей обычно используют сополимер полилактида и полигликолида – полилактогликолид. Данный сополимер является довольно успешным материалом по причине хорошей биосовместимости и возможности модулирования скорости биодеградации. К тому же, под воздействием подсаженных клеток полилактогликолид разлагается на мономеры – природные метаболиты, такие как молочная и гликолевая кислоты, хотя это может вызывать и негативные последствия в связи с нежелательным закислением [206]. Постоянно ведутся работы по улучшению свойств таких полимеров, направленные на снижение умеренных воспалительных реакций, которые происходят при имплантации изделий в ткани живого организма, а также для улучшения клеточных контактов поверхность полимеров модифицируется [151, 202, 110, 111].

    Поликапролактон – биодеградируемый, полукристаллический, алифатический полиэфир, в качестве его мономера выступает капролактон.

    Данный материал обладает хорошими механическими свойствами, биосовместимостью, а также довольно легок в обработке [195]. Однако из-за внутренней гидрофобной структуры и отсутствия биоактивных функциональных групп поликапролактон представляет собой не очень благоприятную среду для роста клеток и удерживания факторов роста, что ограничивает применение этого полимера [180, 181]. На данный момент многие методики направлены на модификацию поверхности поликапролактона адгезивными материалами [175].

    Поливиниловый спирт – материал из группы небиодеградируемых синтетических полимеров, он представляет собой термопластичный полимер, получаемый путем гидролиза сложных поливиниловых эфиров [54].

    Поливиниловый спирт – механически стабильный и гибкий материал, растворяющийся в воде при достаточно высоких температурах – порядка 70°С. В список его достоинств можно также включить высокую степень гидрофильности и полупроницаемость для кислорода и питательных веществ [54, 188, 142].

    Несмотря на прекрасные механические качества, отсутствие биодеградации, как у всех материалов этой группы, является серьезным ограничением в использовании данного полимера.

    1.7.2. Биокерамика

    Биокерамика включает в себя группу инертных и полуинертных материалов, имеющих керамическую природу. Наиболее часто встречаются такие керамические материалы, как гидроксиапатит, трикальций фосфат, биоактивные стекла различного состава. Все материалы данной группы показывают отличную биосовместимость [60, 85].

    Гидроксиапатит – основная минеральная составляющая костной ткани. В качестве материала для костной регенерации этот минерал демонстрирует высокую степень биосовместимости, а также хорошие остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства [147, 190, 199]. В чистом виде для получения скаффолдов гидроксиапатит практически не используется в связи с плохими механическими свойствами, отсутствием пористой структуры, малой скоростью биодеградации и хрупкостью [133, 199, 201]. В настоящее время гидроксиапатит широко применяется в тканевой инженерии в качестве дополнительного материала для увеличения остеокондуктивных и остеоиндуктивных свойств скаффолдов [189].

    Трикальций фосфат представляет собой третичный фосфат кальция, также известный как костяная зола. Данный фосфат служит богатым источником кальция и фосфора, которые находятся в доступной для клеток форме. В связи с этим в отличие от гидроксиапатита трикальций фосфат является хорошо биодеградируемым материалом. В остальном этот материал имеет схожие свойства с гидроксиапатитом [95, 187, 193].

    Биоактивные стекла – это группа поверхностноактивных стекло-керамических биоматериалов, основными компонентами которых являются SiO2, Na2O, CaO и P2O5 [59]. Показано, что после имплантации на поверхности биоактивных стекол происходит ряд специфических реакций, приводящих к образованию аморфного фосфата кальция или кристаллического гидроксиапатита, что благоприятно для формирования костной ткани. К тому же данный материал имеет способность к высвобождению критических концентраций ионов Si, Са, Р и Na, которые индуцируют остеогенез, а путем изменения концентрации различных компонентов можно адаптировать скорость деградации. Ограничивающим фактором в использовании биоактивных стекол является их низкая прочность и хрупкость, что на данный момент решается оптимизацией состава и условий обработки [67, 98, 103, 124].

    1.7.3. Природные полимеры

    Как следует из названия, эти материалы получают из натуральных источников. Как правило, они состоят из полимерной сети, которая может содержать до 99% воды. В результате этого, натуральные полимеры называют гидрогелями, их высокая способность к гидратации позволяет имитировать высоко гидратированное состояние живых тканей. Другой причиной, по которой природные полимеры представляют особую ценность, является их структура, сильно схожая со структурой внеклеточного матрикса. Группа природных полимеров включает полипептиды, полисахариды, сложные полиэфиры, а также их комбинации. Наиболее популярными природными полимерами считаются: коллаген, фибрин, хитозан, фибриновый шёлк, гликозаминогликаны и другие [131, 165, 173]. Они более биологически совместимы, обеспечивают благоприятные клеточные сайты связывания, проницаемы для клеток и часто, что очень важно, деградируют через естественные метаболические пути в организме, а продукты их распада менее токсичны.

    Коллаген – это фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани организма и обеспечивающий ее прочность и эластичность. Коллаген служит одним из двух основных компонентов кости [108]. Поскольку коллаген не обладает межвидовой специфичностью среди млекопитающих, он нашел широкое применение как в биомедицинских, так и в коммерческих технологиях [200].

    Такие преимущества, как биосовместимость, способность к адгезии, волокнистая структура и хорошая сочетаемость с другими материалами, позволяют использовать данный материал для создания носителей [33, 138]. Наиболее часто применяемым является коллаген I типа [173, 134]. Более 90% белков кости составляет коллаген I типа, также он широко представлен в сухожилиях, коже, связках, роговице и многих интерстициальных соединительных тканях, за исключением лишь гиалинового хряща, мозга и стекловидного тела. В большинстве органов коллаген I типа обеспечивает биомеханические свойства, такие как жесткость, прочность на разрыв и кручение.

    Главным недостатком данного материала является сложность в получении стерильной высокоочищенной формы белка с сохранением её нативных свойств. В связи с чем, для изготовления носителей используются низко концентрированные гидрогели, подвергшиеся химической сшивке, либо денатурированные формы белка, что значительно уменьшает положительные свойства материала.

    Хитозан – производное линейного полисахарида, макромолекулы которого состоят из случайно связанных β-(1-4)-D-глюкозаминовых звеньев и N-ацетил-D-глюкозамина. Данный материал обычно получают из хитина, встречающегося в составе оболочек ракообразных, кутикулы насекомых и клеточной стенки грибов [102, 123, 208].

    В отличие от синтетических материалов, этот природный полимер растворим при рН<5,5 и, соответственно, не требует жестких условий обработки [96]. Наличие боковых катионных групп для присоединения к другим молекулам позволяет комбинировать хитозан с различными биоактивными веществами. Также этот полимер показывает хорошую биосовместимость, отсутствие иммунологического отторжения и, что очень важно, противомикробные свойства в отношении некоторых бактерий и грибов [91, 156]. Главным недостатком этого природного полимера является низкий уровень механической прочности и возможные воспалительные реакции [198, 127].

    Фиброин и спидроин – фибриллярные белки, составляющие основу нитей паутины и коконов насекомых, в частности шелка тутового шелкопряда. Данный белок обладает рядом таких свойств, как хорошая биосовместимость, высокая степень жесткости и прочности, биодеградация и универсальность в обработке [146, 53, 121]. К тому же, данный материал не требует дополнительной стабилизации химическими сшивками. Недостатком фиброиновых матриц является невысокая скорость биодеградации. Малюгин Б.Э., Борзенок С.А. c соавт. (2013) проводили ряд исследований данного материала по возможности создания биоинженерной конструкции искусственной роговицы на его основе.

    Проведенные исследования показали, что стромальные клетки лимба в таком матриксе смещали своё эпителио-мезенхимное равновесие в сторону преобладания мезенхимного компонента, в результате чего прозрачность полученной конструкции быстро снижалась [27].

    Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод о том, что общим недостатком синтетических материалов является отсутствие истинной биосовместимости и токсичность продуктов распада [85, 151, 49, 80, 111]. К тому же, синтетические полимеры не способны связываться с факторами роста и удерживают их путём диффузных ограничений, что малоэффективно [28].

    Керамика слишком хрупкая и не эластичная, имплантация изделий на её основе в строму роговицы слишком затруднена, к тому же она не является биодеградируемым материалом.

    В этом плане природные полимеры наиболее перспективны. Коллаген, будучи основным белком внеклеточного матрикса костной ткани, имеет сайты связывания с rhBMP-2 [79, 107, 112], что позволяет надежно связывать данный фактор роста с носителем, это выгодно отличает его от спидроина, хитозана и др.

    Фибриллярная структура коллагена позволяет создавать дополнительные диффузные ограничения для выхода макромолекул rhBMP-2 из матрикса [137].

    Коллаген, как материал для доставки факторов роста в роговицу, более специфичен для этой ткани на фоне других природных и синтетических полимеров [108]. Следуя современным концепциям, дизайн будущего носителя для факторов роста должен быть максимально специфичным (химически и биомеханически) для типа ткани – мишени [84].

    По всей видимости, применение rhBMP-2 и коллагенового носителя в целях укрепления роговицы может быть полезным. Однако в литературе отсутствуют какие-либо работы по этой теме. Все существующие носители на данный момент не адаптированы к условиям офтальмохирургии. В связи с чем, считаем необходимым разработку альтернативного метода укрепления роговицы, в основе которого лежит использование rhBMP-2 и специально разработанного коллагенового носителя.