Спасительные сети. Можно ли вылечить артроз при помощи паутины

— Анастасия, когда начался проект?

— Исследования длятся три года: мы уже завершили клеточные эксперименты, но экспериментов на животных пока не было. Текущие результаты опубликованы в журнале International Journal of Biological Macromolecules. Вообще, на такую технологию во всем мире высокий спрос. Методик, с помощью которых можно лечить травму, много, но все они несовершенны.

— Расскажите об этих методиках.

— Возьмем, к примеру, импланты. После их установки существует большой риск осложнений и повторной операции. А вероятность того, что суставы как раньше функционировать не будут, равна 90%.

Есть технология Amic — биологическая регенерация хряща. Часть хряща удаляется и в кости просверливается небольшое отверстие, чтобы обеспечить выход стволовых клеток из костного мозга в область повреждения.

Ткань костного мозга насыщена стволовыми клетками. При попадании в поврежденную область сустава эти клетки трансформируются в клетки костной и хрящевой ткани. За огромный регенеративный потенциал кровь, заполняющую поврежденный участок, называют суперсгустком.

— В чем же недостаток этой методики?

— Дело в том, что суперсгусток создает не полноценный хрящ, а рубцовую ткань. И при активном образе жизни эта ткань быстро изнашивается. Методику можно повторять, но уже после пары вмешательств у пациента развивается деградация кости под поверхностью хряща. Со временем это чаще всего приводит к необходимости эндопротезирования.

— А как работает ваша технология?

— Как правило, чтобы кровь задерживалась в месте регенерации, это место накрывают специальной мембраной — направляющей конструкцией для роста новых клеток. Иначе ее называют скаффолдом. Мы обратили внимание на то, что шелк паука по своим механическим свойствам может идеально подойти на роль такого скаффолда. В биологический препарат мы добавляем липосомы — микроскопические сферы, оболочка которых состоит из тех же молекул, что и у клеточных мембран. В липосомы помещаются лекарственные препараты и различные факторы роста.

— То есть происходит таргетная доставка лекарств к месту повреждения?

— Именно так! Мы одновременно создаем механическую поддержку для регенерирующих клеток и тканей, позволяем хрящу восстановиться и стимулируем его заживление с помощью лекарственных препаратов. Изначально волокна паутины покрываются наночастицами: ферритами марганца и цинка, а также липосомами. При воздействии переменного магнитного поля наночастицы можно нагреть до определенной температуры, которая позволит разрушить мембраны липосом, но не повредит близлежащие ткани и органы.

— До какой температуры обычно происходит нагрев?

— От 41 до 45°C.

— Почему для создания материала вы выбрали именно паучий шелк?

— Его давно ценят за механические свойства: он идеально сочетает прочность и эластичность. С его помощью можно очень точно воспроизвести структуру хряща, которая выдерживает высокие нагрузки. Кроме того, он обладает и другими полезными свойствами — биоразлагаемостью и биосовместимостью.

Биоразлагаемость обеспечивает естественный вывод материала из организма после выполнения задачи, а биосовместимость паучьего шелка снижает риск отторгаемости организмом. Чтобы оценить биосовместимость разработанного материала, в качестве модельных клеток для регенерации тканей использовали фибробласты. Это клетки кожи, синтезирующие коллаген, эластин, гиалуроновую кислоту и другие важные компоненты, которые играют важную роль в ремоделировании тканей. При использовании определенных факторов роста фибробласты можно перепрограммировать в хондроциты ― клетки хрящевой ткани.

— С какими сложностями вы столкнулись в процессе работы над технологией?

— У нас очень долго не получались клеточные эксперименты. Нам нужно было посмотреть, какие клетки наиболее совместимы с нашими волокнами. Изначально мы работали с нейронами, но вырастить их в лабораторных условиях не получилось. Зато через какое-то время получилось с фибробластами.

— Почему вы используете для экспериментов именно пауков-птицеедов? У них самая прочная паутина?

— По прочности их паутина на втором месте после пауков-кругопрядов. У тех сети настолько крепкие, что рыбаки на побережьях Индийского и Тихого океанов собирают их и формируют из них шары, а потом бросают в воду. Там шары разворачиваются и ловят наживку.

Кстати, американская компания Kraig Biocraft изготавливает из их паутины нити Dragon silk, которые используются для создания бронежилетов. Проблема в том, что кругопряды плетут разный шелк, так как у них до семи типов желез. Это значительно затрудняет проведение экспериментов и воспроизводимость результатов. А у птицеедов шелк единообразный по составу и прочный по структуре.

Птицееды населяют все континенты, кроме Антарктиды. В Европе пауки-птицееды встречаются редко, их ареал включает южную половину Италии, Испанию и Португалию. Встречаются как влаголюбивые виды, обитающие в кронах экваториальных лесов, так и засухоустойчивые полупустынные. Вопреки названию, их пищеварительная система не рассчитана на постоянное питание птицами. Основу рациона составляют насекомые или более мелкие пауки. Свою добычу они подкарауливают из засады, обычно не используя паутину для изготовления ловушек.

Птицееды — рекордсмены по долголетию среди всех наземных членистоногих. Некоторые экземпляры доживают до тридцати лет и более. Продолжительность их жизни зависит от пола. Самки могут жить многие годы, а то и десятки лет, самцы чуть меньше.

Все виды птицеедов в той или иной степени ядовиты. Для взрослого здорового человека укус такого паука в большинстве случаев не смертелен, но крайне неприятен: после него может появиться острая боль и жар. А вот для детей, домашних животных или людей с аллергией на токсин укус может привести к летальному исходу.

— А если использовать искусственные волокна?

— Сейчас многие ученые ведут работу по созданию искусственных волокон, но пока получить идентичные тем, что вырабатывают птицееды, ни у кого не получилось. И это понятно: в железах пауков осуществляется тонкая настройка и плавное изменение кислотно-щелочного баланса и давления. Высокое давление позволяет обеспечить необходимую силу для выталкивания жидкого раствора паутины из фильер и его формирования в волокна. Все искусственные материалы проигрывают по механическим характеристикам: они либо не такие прочные, либо более жесткие, но менее эластичные.

— Откуда вам доставляют пауков, ведь в наших широтах они не обитают?

— Да, в основном, они живут в тропическом климате, там где жара и влажность. Но в России немало заводчиков. Для эксперимента много пауков не требуется — мы не изготавливаем мембрану в натуральный размер. За неделю один паук производит около 100 мг шелка, так как паутина очень легкая, и этого хватает на пару экспериментов.

— Институты за рубежом работают над похожей технологией?

— За границей есть крупные исследовательские центры, которые занимаются получением различных конструкций на основе шелка тутовых шелкопрядов. В случае с таким шелком все проще — методики уже давно отработаны и одобрены, он более податлив к химическим модификациям, но, к сожалению, менее прочный.

Также широко используются рекомбинантные белки паутины для научных исследований, медицинских применений или промышленных нужд, таких как создание новых материалов.

— Всем ли будут доступны импланты на основе паучьего шелка?

— Думаю, что нет. В силу разных причин это дорогая технология. Во-первых, пауки — хищники и, если посадить двух особей в один террариум, дело, скорее всего, закончится каннибализмом. Кроме того, такие пауки довольно прихотливы: для них необходимо поддерживать одну и ту же температуру — около 25—28°C, — создать правильное освещение и обеспечить живым кормом, таким как зоофобус, сверчки и тараканы. Наконец, шелк быстро загрязняется продуктами жизнедеятельности паука и частичками земли. Чистить его — весьма кропотливая работа. Однако мы планируем разработать материалы с похожими свойствами на основе фиброина шелкопрядов. Это более доступный и масштабируемый материал. У нас в лаборатории активно развивается направление биопечати. В нашем исследовании мы формировали скаффолды вручную, теперь будем печатать их на биопринтере. Кроме того, мы будем смешивать шелк с другими компонентами для получения гидрогелей, которые можно будет использовать для различных технологий регенерации тканей.