Российское образование мирового класса!

Цель Проекта 5-100 – максимизация конкурентной позиции группы ведущих российских университетов на глобальном рынке образовательных услуг и исследовательских программ.

НОВОСТИ


Новые подходы к безопасной имплантации

24 сентября 2020 года

Для лечения широкого спектра патологий человека медициной предложено множество решений, в числе которых имплантаты, трансплантаты и различные имплантируемые биомедицинские устройства.

Главная задача ученых – минимизировать осложнения, которые могут вызвать вживляемые объекты в организме человека. Негативные последствия могут выражаться и в плохой приживаемости, и в развитии хронических воспалений.

Расскажем, что предлагают ученые университетов Проекта 5-100, для того чтобы обезопасить пациентов от осложнений.

Ученые Томского государственного университета, изучающие поверхностные свойства имплантатов, работают над созданием новых материалов и методик для устойчивой иммунотолерантности.

В лаборатории трансляционно-клеточной, молекулярной и биомедицины ТГУ работают по двум направлениям, способным уменьшить отторжение: во-первых, проводят эксперименты по модификации натуральных полимеров для лучшей интеграции с тканями пациента, а во-вторых, подбирают способы иммуномодуляции для контроля за реакцией организма на введение имплантата.

В рамках первого подхода, например, на имплантат наносят природные полимеры (коллаген, гиалурон, альгинат, хитозан и др.), которые имеют близкий с тканями человеческого организма состав. Такое сходство, как установили ученые, ускоряет процессы восстановления.

Второй подход направлен на то, чтобы макрофаги медленнее распознавали вживляемый объект как инородный. Ученые пытаются создать такое покрытие имплантата, которое минимизирует адсорбцию протеина, т. е. белковые иммунные клетки не смогут на нем задержаться и мгновенно негативно отреагировать.

Кроме вышеописанных физических подходов воздействия на поверхность имплантата, есть еще химический с помощью гидрогелей. Гидрогели – это полимерные сети, способные удерживать большие количества жидкости, а также переносить питательные вещества и биологически активные молекулы. Они позволяют более мягко взаимодействовать с тканями организма. Преимущество гидрогелей в том, что их можно загрузить цитокинами (белками активированных клеток иммунной системы), которые смогут регулировать выход иммуномодуляторов вокруг имплантата. Ученые также могут менять химический состав гидрогеля, изменять размер ячейки в геле, степень сшивки и скорость высвобождения питательных средств.

Главная цель лаборатории – найти наиболее эффективный и безопасный способ физического или химического воздействия на поверхность имплантата для благоприятной приживаемости.

В НОЦ «Аддитивные технологии» ТГУ в течение 5 лет разрабатывали технологию полного цикла производства зубных штифтов (имплантатов) из надежного гипоаллергенного материала – наноструктурной керамики на основе диоксида циркония.

штифт.jpg

Фото: Пресс-служба ТГУ (Владимир Промахов)

«Мы работали над этим проектом эволюционно: сначала научились работать с высококачественными японскими материалами – изучили кинетику спекания, структурно-фазовые состояния этих материалов, поняли, что это за материалы. Затем отработали процессы при производстве деталей по запросам предприятий – все это изделия сложной формы. После анализа рынка мы поняли, что запрос на стоматологические имплантаты на рынке очень большой, а наши наработки позволяют их производить», – рассказал к. т. н., заместитель директора НОЦ «Аддитивные технологии» ТГУ Владимир Промахов.

На собственной базе научно-образовательного центра уже готово к запуску мелкосерийное производство. В настоящее время ведутся переговоры со стоматологическими клиниками, специализирующимися на протезировании.

В НИТУ «МИСиС» разрабатывают комплексный подход для обеспечения существования и функционирования имплантата в организме без негативных последствий и одновременно с возможностью индуцировать специфичные клеточные реакции.

«Существует множество факторов, влияющих на то, как успешно и насколько быстро будет приживаться имплантат. В зависимости от типа имплантата, от того, какую ткань/орган он возмещает, к нему предъявляется разные требования по механической прочности, упругости, микроструктуре, наличию биоактивных компонентов и т. д. Общим обязательным требованием является биосовместимость. Имплантат может не приводить к развитию реакции отторжения, не выделять токсичных веществ и длительно существовать в организме без значительных изменений, но при этом не интегрироваться с окружающими тканями. Нужно говорить не о 100%-ной безопасности, а о минимизации негативного исхода», – комментирует Федор Сенатов, к. ф-м. н., руководитель программы iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС».

На примере костного имплантата в НИТУ «МИСиС» предлагают следующее:

1) Подбирать материалы, обладающие биологической активностью, способствующие ускоренному процессу остеоинтеграции. Например, вводить биокерамику на основе кальция, фосфатов, кремния. Так, Центром композиционных материалов НИТУ «МИСиС» был предложен метод синтеза биоактивной керамики – диопсида – из яичной скорлупы, с последующим введением в медицинский полимер.

яйца в кислоте_picture.jpg

Фото: Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

2) Воспроизводить архитектуру натуральной кости. Кость может иметь сложную пористую структуру. Если точно имитировать размер, геометрию пор и обеспечить нужную смачиваемость, то можно создать условия для присоединения клеток из организма, а значит, улучшить приживаемость. Подходы биомиметики были успешно применены при разработке пористого имплантата на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

3) Можно воспроизвести механические свойства костной ткани. Если модуль упругости имплантата будет больше модуля упругости кости, то возникнет эффект экранирования напряжений, приводящий к ремоделированию и охрупчиванию окружающей кости, что может привести к ее вторичному повреждению. Центром композиционных материалов НИТУ «МИСиС» был предложен полимерный имплантат с механическими свойствами натуральной кости.

4) Вводить белковые факторы роста. Так, группой исследователей НИТУ «МИСиС» и НМИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи был разработан имплантат с введенным костным белком BMP-2, существенно ускоряющим остеоинтеграцию.

5) Создавать клеточно- или тканеинженерные конструкции, которые будут содержать сразу клетки/ткани самого пациента, что улучшит приживаемость. Группа исследователей НИТУ «МИСиС» и НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина разработала клеточно-инженерную конструкцию, которую применяли в клинических случаях в ветеринарии.

 «Важным направлением является индивидуальный подход в создании имплантата, когда учитываются при выборе материала и технологии создания точная геометрия, нагрузка, пол, возраст, сопутствующие заболевания и т. д. Ведь может быть ситуация, когда у человека есть индивидуальная реакция на какой-либо компонент материала», – отмечает Федор Сенатов.

В Дальневосточном федеральном университете также поддерживают индивидуальный подход в лечении, ведь осложнения, зависящие от самого имплантата и материала, из которого он изготовлен, в целом уже сведены к минимуму в мировой практике. Как отмечает Валерий Толмачев, к. м. н., челюстно-лицевой хирург Медицинского центра Дальневосточного федерального университета: «Осложнения встречаются при использовании любых имплантатов, что касается дентальных имплантатов, то доля осложнений, как правило, не превышает 2%. Другое дело, что качество таких осложнений изменилось в лучшую сторону, с большинством из них могут справиться специалисты при своевременном обращении пациентов. Для того чтобы снизить количество осложнений имплантации, как и любой другой операции, необходимы тщательное планирование и прогноз исхода вмешательства с использованием таких современных методов обследования, как: мультиспиральная и конуснолучевая компьютерная томография, магнитно-резонансная томография и другие методы медицинской визуализации; исследование иммунного статуса пациента, в том числе с помощью иммуногистохимических методов, и ряд других инновационных диагностических методик, согласно показаниям к их применению. Зачастую существуют альтернативные методы лечения без использования имплантатов. Если пациент не уверен, что сможет выполнять все рекомендации, связанные с правилами функционирования имплантата, то лучше к этому методу не прибегать».

К таким альтернативным методам относятся кажущиеся фантастическими, но уже вполне реальные эксперименты ученых по выращиванию зубов из стволовых клеток! Еще год назад в Департаменте фундаментальной медицины Школы биомедицины Дальневосточного федерального университета (ШБМ ДВФУ), изучая ранний этап развития полости рта эмбриона в период закладки зубов, исследователям удалось идентифицировать несколько типов клеток, участвующих в формировании эмалевого органа, который, собственно, и является зачатком зуба. Также удалось выяснить, что коронка зуба и его корень формируются по-разному. Это открытие поспособствовало дальнейшим исследованиям в ДВФУ, которые теперь акцентированы на разработку биоинженерных методик в стоматологии, а точнее, на наращивание новой зубной ткани.

Молочный зуб.jpg

Фото: Молочный зуб под микроскопом (stomatologclub.ru)

Однако, как показали результаты недавних экспериментов, еще рано говорить о том, что можно вырастить зуб только из стволовых клеток. На получаемых образцах, покрытых дентином, все же отсутствует полноценная эмаль. Для успешного результата ученым нужны более фундаментальные знания о межклеточных взаимодействиях в процессе образования зубов.

В университетах Проекта 5-100 будут и дальше развивать новые биоинженерные подходы в регенеративной медицине, а также искать пути минимизирования возможных осложнений после имплантации, но из-за сложности задачи эта работа может занять годы. Поэтому напоминаем, что лучшее лечение – это профилактика!