Новосибирские биологи разработали ряд наноматериалов с покрытием из наночастиц серебра, которые положительно влияют на рост и жизнеспособность клеток человека. В перспективе их можно будет использовать для ускорения заживления хронических ран и серьезных повреждений.

Исследование проводили ученые Института клинической и экспериментальной лимфологии – филиала Института цитологии и генетики СО РАН и Национального исследовательского технологического университета МИСиС. Совместно они рассмотрели влияние наноматериалов с осажденными ионами серебра на мезенхимальные стромальные клетки (МСК) человека. Главная функция МСК – это участие в процессах регенерации организма: они активируют иммунные механизмы, восстанавливают поврежденные органы и ткани путем секреции (выделения) факторов роста и цитокинов – веществ, обеспечивающих межклеточные взаимодействия, миграцию и размножение клеток. В проведенном исследовании авторы показали, что серебро, нанесенное на нановолокна, не только защищает стволовые клетки от различных вирусных и бактериальных воздействий, но и поддерживает их жизнеспособность и стимулирует к увеличению численности. На сегодняшний день разработка и производство ранозаживляющих материалов с подобными восстанавливающими свойствами активно ведутся во всем мире.

«Биологически активной является только ионная форма серебра, которая образуется при контакте с водой и воздействии окислителей, – рассказывает заведующая лабораторией фармакологических активных соединений НИИКЭЛ кандидат биологических наук Анастасия Олеговна Соловьева. – Ионы проникают внутрь бактерий через мембрану и изнутри разрушают их нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Они также препятствуют развитию у бактерий лекарственной устойчивости и обладают эффективностью к широкому спектру их штаммов».

Известно, что высокие концентрации этого металла оказывают токсическое воздействие на клетки человека, однако в данном случае произошел обратный эффект, и процент заселения клетками наноматериалов был увеличен.

«Скорее всего, это связано с двумя основными факторами, – считает А. О. Соловьева. – Во-первых, с повышением гидрофильности (водопоглощаемости) поверхности наноматериалов, а во-вторых, со стимулирующим влиянием низких концентраций ионов серебра при кратковременном воздействии на производство МСК определенных белков. Как результат, после обработки серебром белки, участвующие в процессе репликации (увеличении копий) ДНК, оказались более активными».

Серебро в ионной форме зачастую используют как антибактериальный компонент в различных кремах, субстанциях и, в частности, наноматериалах. Наноматериалы – это очень тонкие материалы, размер которых не превышает одной миллиардной доли метра. К ним относятся нанопорошки, нановолокна, нанотрубки и так далее. В медицинской практике их в основном применяют как активные фильтрующие слои, а также как основу для создания раневых и перевязочных материалов.

«В нашей работе для создания наноматериалов мы использовали поликапролактон. Это синтетический полимер, или, иначе, вещество, состоящее из длинных повторяющихся цепочек молекул, которое используется для получения волокнистых каркасов. У него множество преимуществ: он доступен, биодеградируем (разрушается в результате естественных природных процессов), нетоксичен и технологичен: из него легко создавать волокна различной формы, состава и диаметра», – комментирует ученая.

В исходном состоянии поликапролактон имеет форму небольших гранул однородного белого цвета. Для их превращения в сверхтонкие волокна исследователи применили метод электроформирования (также называется электроспиннингом и электропрядением). Гранулы поликапролактона добавляли в муравьиную и уксусную кислоты и перемешивали при температуре 25 °C до полного растворения.

Полученный раствор полимера помещали внутрь установки Nanospider NSLAB 500, используемой для производства широкого спектра органических и биоразлагаемых нановолокон. Под высоким напряжением небольшие трубки, называемые капиллярами, вытягивали из смеси тонкие жидкие струйки, которые, по мере того как ток мигрировал по их поверхности, удлинялись и утончались до диаметра нанометров. При помощи вакуумно-дугового ионного источника новообразованные нити осаждались диоксидом титана для понижения водоустойчивости и ионами серебра для усиления их регенерирующей и антибактериальной активности.

По словам А. О. Соловьевой, исследователям нужно было отработать такие режимы, при которых и нановолокна оставались бы целыми, и имплантировалось достаточное количество серебра. Как оказалось, нановолокнистые структуры сохраняли целостность при мощности в 5 и 8 киловатт и значительно повреждались при напряжении более 15 кВ.

Для анализа диаметра и формы, а также элементного состава и физических характеристик наноматериалов ученые использовали сканирующий электронный микроскоп и рентгеновский фотоэлектронный спектрометр PHI 5500 Versaprobe-II. Проверка на водостойкость нановолокон осуществлялась при помощи прибора для измерения краевого угла EasyDrop Kruss.

«Существует несколько типов материалов. Первые хорошо впитывают влагу, их называют гидрофильные. Вторые же накапливают жидкость на своей поверхности в виде капель и препятствуют их проникновению внутрь. Их называют гидрофобные. Чтобы узнать, как материал взаимодействует с водой, рассчитывается угол между каплей и поверхностью, на которой она находится. Если он меньше 90°, то материал относится к гидрофильным, если больше – гидрофобным. Наш анализ показал, что поверхность всех модифицированных образцов была гидрофильной. Это означает, что, находясь в жидкой среде, они легко взаимодействуют с водой и способны выделять достаточное количество ионов серебра», – комментирует исследовательница.

Чтобы нановолокна начали свободно взаимодействовать со стволовыми клетками, ученые помещали их в специальную питательную среду для выращивания клеточных культур. Вступая в реакцию с жидкостью, они выделяли ионы серебра, которые активно поглощались мембранами МСК. При этом ионы не оказывали на них какого-либо токсического воздействия. Как результат, способность клеток к размножению и поддержанию состояния, необходимого для выполнения их специфических функций, значительно возросла. Исследователи пришли к выводу, что наноматериалы с имплантированным серебром не оказывают повреждающего влияния на стволовые клетки человека, а напротив, благотворно влияют на их рост и пролиферацию.

В дальнейшем ученые планируют расширить формат работы и изучать регенеративные свойства разрабатываемых материалов уже не в искусственных условиях, а в режиме in vivo, то есть на моделях животных. Они надеются, что исследования на живых субъектах позволят получить более точные данные о реакции организмов на воздействие конкретных веществ.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-52-26020). Часть работы была сделана в ходе реализации стратегического проекта «Биомедицинские материалы и биоинженерия» в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» в НИТУ «МИСиС».

Источник: «Наука в Сибири».
Текст: Полина Кустова.
Изображения предоставлены исследовательницей.