Пластырь из цианобактерий заживил хронические раны при диабете
Ученые из Китая создали пластырь с цианобактериями, которые насыщают рану кислородом и способствует ее заживлению. Пластырь разработали для хронических ран, которые возникают при диабете. С пластырем скорость заживления ран у мышей с диабетом была такой же, как у нормальных животных; накладка помогла прижиться кожному трансплантату. Статья опубликована в журнале Science Advances (Chen et al., Dissolved oxygen from microalgae-gel patch promotes chronic wound healing in diabetes).
Рисунки из статьи Chen et al.
У четверти больных диабетом есть риск развития хронических ран, в том числе диабетической стопы – гнойно-некротических и язвенных поражений кожи, которые в запущенном случае ведут к ампутации. Постоянно повышенное содержание глюкозы в крови приводит к гипоксии (недостатку кислорода) в тканях, вследствие чего раны не могут запустить рост сосудов и процесс заживления.
Увеличить приток кислорода к тканям больных диабетом пытаются с помощью оксигенотерапии: пациентов помещают в барокамеры, где они дышат кислородом под высоким давлением, или же газообразный кислород подают местно, в область раны. Однако эти процедуры повышают уровень кислорода лишь на один-два часа, пока пациент находится в камере. В результате лечение газообразным кислородом эффективно лишь в отдельных случаях; необходимо искать способы доставлять в раны растворенный кислород.
Ученые из Нанкинского университета под руководством Цзиньхуэй У (Jinhui Wu) решили использовать для локального обогащения растворенным кислородом цианобактерии Synechococcus elongatus. Эти одноклеточные существа способны к фотосинтезу и производят кислород из неорганических соединений углерода (углекислого газа и карбонатов). Цианобактерии поместили в гидрогелевые шарики диаметром один миллиметр, из которых сделали пластыри. Примыкающую к коже часть пластыря покрыли мембраной из тефлона с отверстиями в 0,22 микрометра – через них кожа и пластырь могли обмениваться газами и жидкостями.
Строение пластыря с цианобактериями.
На свету в пластыре с цианобактериями концентрация кислорода повышалась с нуля до 600 микромоль на литр. Когда в гидрогель добавили дополнительный карбонат натрия (субстрат для фотосинтеза), концентрация кислорода увеличилась в двое. Затем пластырь проверили на кусочке мышиной кожи. Растворенный кислород проникал сквозь кожу в более чем сто раз эффективнее, чем при локальной оксигенотерапии.
Концентрация кислорода в растворе под кожей. Красный – если наложен пластырь, черный – при оксигенотерапии.
Действие пластыря изучали in vitro и in vivo. Для начала в культуре фибробластов кожи, кератиноцитов и клеток эндотелия – клеток, которые играют ключевую роль в заживлении ран и росте сосудов, – индуцировали гипоксию. Для этого повысили концентрацию глюкозы в среде и ограничили доступ кислорода. В экспериментах in vivo пластырь накладывали на раны диаметром в один сантиметр, которые создавали у мышей с искусственно вызванным диабетом.
Пластырь снизил содержание маркера гипоксии в ткани (p<0,001), усилил деление фибробластов (p<0,01), миграцию кератиноцитов (p<0,01) и дифференциацию клеток эндотелия (p<0,001).
Фибробласты в культуре после индукции гипоксии. Слева сверху – контроль, справа сверху – при оксигенотерапии. Снизу – с пластырем с цианобактериями в темноте или на свету.
У мышей с диабетом рана не затягивалась даже к 15 дню, тогда как у контрольных животных заживление рубца занимало 12 дней. Пластырь с цианобактериями ускорял процесс: рана затягивалась на 45 процентов за шесть дней (при оксигенотерапии на этом же сроке кожа восстанавливалась лишь на 20 процентов) и через 12 дней полностью зарывалась. Гистологические исследования также показали, что пластырь ускоряет восстановление тканей и способствует росту сосудов.
A: свежая рана; через три, шесть и 12 дней после операции. Сверху вниз: мышь без диабета, контрольное животное, при оксигенотерапии, с пластырем. B: доля заживленной кожи на третий, шестой и 12 день.
Наконец, исследователи изучили действие пластыря на кожный трансплантат. Раны большого размера лечат с помощью пересадки кожи, однако при нарушении роста сосудов трансплантаты не приживаются. Чтобы проверить, помогает ли пластырь обойти это ограничение, мышам отрезали прямоугольный лоскут кожи площадью два квадратных сантиметра. Одну из сторон лоскута оставили соединенной с кожей мыши и следили за тем, как приподнятый участок будет приживаться обратно – эта модель имитирует аутотрансплантацию (пересадку ткани той же особи).
У мышей с диабетом на лоскуте кожи уже на второй день после операции появились некротизированные участки, а на четвертый день кожа полностью отмерла и отпала. У контрольных мышей участки лоскута тоже отмирали и на шестой день отпадали. Оксигенотерапия сократила долю некротизированных тканей практически до контрольного уровня (58 процентов), а у животных с пластырями она составила всего 18 процентов – лоскут прижился даже лучше, чем у контрольных животных (p<0,05).
Отрезанный и пришитый обратно лоскут кожи сразу после, через два, четыре и шесть дней после операции. Сверху вниз: мышь без диабета, контрольное животное, при оксигенотерапии, с пластырем.
Для хронических ран существуют и электронные пластыри. Они не обогащают кожу кислородом, а выделяют антибиотики при повышении температуры или изменении pH раны. Такой прибор не способствует самостоятельному заживлению раны, но помогает контролировать ее состояние.
Алиса Бахарева, N+1
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
