Пластырь с генноинженерными человеческими клетками ускорил заживление ран

Американские исследователи разработали пластырь с инкапсулированными генноинженерными человеческими клетками, вырабатывающими ранозаживляющие цитокины. В экспериментах на мышах и свиньях он существенно ускорял заживление глубоких ран. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Biomedical Engineering.

Хронические незаживающие раны возникают под действием разнообразных местных и системных условий, включая нарушение ангиогенеза, миграции клеток и нормального иммунного ответа. Они затрагивают существенную часть населения, приводя к утрате работоспособности, снижению качества жизни и большим экономическим потерям. Для лечения таких ран с ограниченным успехом используют компрессионные повязки, терапию отрицательным давлением и гипербарическую оксигенацию. Биологические материалы обычно применяются в виде кожных трансплантатов или заменителей кожи, которые неэффективны примерно у 30–50 процентов пациентов.

Важную роль в процессе заживления ран играют иммунные сигнальные молекулы — цитокины. В частности, интерлейкин-10 (ИЛ-10) уменьшает образование рубцовой ткани, интерлейкин-12 (ИЛ-12) обеспечивает борьбу с заражением, фактор некроза опухоли (ФНО, TNF) стимулирует миграцию клеток в дно раны, а трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) способствует ремоделированию внеклеточного матрикса. Омид Вейсех (Omid Veiseh) из Университета Райса и его коллеги разработали пластырь из диметилсилоксановой подложки с полыми выступами, в котором находятся вкладки из альгинатного гидрогеля, заключающие в себе неделящиеся живые клетки. Это стабильные и широкодоступные клетки человеческого пигментного эпителия сетчатки (ARPE-19), безопасность которых подтверждена в клинических испытаниях. Их генетически модифицировали так, чтобы постоянно синтезировать и высвобождать один из человеческих цитокинов ИЛ-10, ИЛ-12, ФНО или TGF-β, которые по каналам в выступах пластыря поступают в рану.

Эксперименты на мышах показали, что жизнеспособность в пластыре к третьему дню сохраняют более 95 процентов клеток, а к седьмому — более 50 процентов клеток, при этом на выработку цитокинов это снижение значимо не влияет. Цитокины начинали поступать в рану через 15 минут после аппликации и не производили системных эффектов. Пластыри с ИЛ-10, ИЛ-12 и TGF-β значительно ускоряли заживление эксцизионных ран — через 14 дней их площадь с каждым из этих цитокинов составляла около 10 процентов от начальной против примерно 40 процентов без пластыря. Рост грануляционной ткани при этом уменьшался. Аппликация пластыря с немодифицированными клетками и производящими ФНО клетками, а также рекомбинантного ИЛ-10 не имела значимых отличий от контроля. Секвенирование РНК одиночных клеток показало, что пластыри с ИЛ-10, ИЛ-12 и TGF-β, но не ФНО, усиливают экспрессию двух десятков генов, отвечающих за ранозаживление. Молекулярные сигнальные пути, способствующие этому процессу, также подвергались положительной регуляции.

Поскольку процессы ранозаживления и ответы на цитокины существенно отличаются у мыши и человека, эффективность пластырей, продуцирующих ИЛ-10, ИЛ-12 и TGF-β, проверили на более релевантной свиной модели. Доставка с помощью пластыря в эксцизионную рану ИЛ-10 в течение одного, четырех и семи дней и ИЛ-12 и TGF-β в течение семи дней значительно ускоряли заживление — на 15 день площадь таких ран составляла около 30 процентов от начальной против 70 процентов в контрольных условиях. Гистологический анализ тканей ран показал, что пластыри с цитокинами обеспечивают миграцию эпителия на 5,4–6,0 миллиметра против 2,5 миллиметра в случае пластыря с немодифицированными клетками. Экспрессия генов, связанных с ранозаживлением имела некоторые количественные и качественные отличия от мышиной (например, сигнальный путь EGR1 не подвергался положительной регуляции), но в целом транскрипционная картина была схожей.

Полученные результаты служат подтверждением концепции того, что биологически активные пластыри с генно-модифицированными человеческими клетками имеют потенциал для лечения глубоких и незаживающих ран. В дальнейших исследованиях предстоит уточнить оптимальные временные рамки наложения таких пластырей, чтобы не препятствовать заживлению ран начиная с определенного этапа, рациональный набор доставляемых цитокинов и возможности регуляции их доставки, например с помощью оптогенетики.

Разработкой активных пластырей для оптимизации ранозаживления занимаются разные научные и инженерные группы по всему миру. К примеру, были представлены экспериментальные пластыри с беспроводной электроникой для мониторинга и электростимуляции ран и атравматичным отклеиванием, с цианобактериями для насыщения раны кислородом, с гиперспектральной визуализацией для диагностики раневых инфекций и с антибиотикосодержащими микроиглами для лечения таких инфекций.