feurig_zinnober (feurig_zinnober) wrote,
feurig_zinnober
feurig_zinnober

Плазма животворящая


Имплантируемый слуховой аппарат
В начале июля привелось мне побывать на проходившей в Перми на базе ПГНИУ конференции «Наукоемкие биомедицинские технологии». Я люблю конференции. Особенно, когда не нужно думать о том, как ты выступишь. Тогда можно целиком погрузиться в эту атмосферу некоторой новизны и интеллектуальной насыщенности, познакомиться и пообщаться с интересными людьми и «нахвататься» полезного для собственной работы. И, как всегда, я внимательно слушаю всё, до чего дотягиваются уши, в поисках неочевидно полезных мыслей и интересных идей.

Пожалуй, самым ярким впечатлением этой конференции стали лекции и т.н. «work-shops» (мы же теперь все модные: кофе-брейки, абстракты, бейджи, ресепшены, постеры, воркшопы и т.д.) Алексея Кондюрина, некогда учившегося в ПГУ и работавшего в пермском политехе, а ныне являющегося сотрудником Сиднейского университета. Он рассказывал о том, как, используя законы физики и химии, можно "обмануть" наш иммунитет во спасение. Однако обо всём по порядку.

На сегодняшний день всевозможные варианты протезирования человека наталкиваются на целый ряд ограничений. Самым главным естественным ограничением является иммунная реакция организма на чужеродный объект. И это понятно. Не будь этой реакции, мы бы вообще жили мало и плохо. Однако когда приходится обманывать природу (а медицина зачастую предполагает обман природы), подсовывая вместо удаленного или отсутствующего органа нечто искусственное, иммунитет из подарка эволюции превращается в большую проблему. Столкнувшись с «чужаком», организм первым делом пытается его «съесть», натравив на него толпу специальных фагоцитарных клеток. Это приводит к длительным и тяжелым воспалительным процессам. А если неопознанный объект оказывается еще и «несъедобным», то остается один единственный способ решения проблемы – изоляция. Устройства покрываются приличным слоем соединительной ткани, который, разумеется, полностью выводит их из строя.

Сам процесс реакции на чужака начинается с молекулярного уровня. Как только поверхность какого-либо материала попадает во внутренние биологические среды, на ней начинают оседать растворимые белки, которыми насыщены и кровь, и лимфа, и межклеточная жидкость. «Прилипая» к поверхности, эти белки невольно меняют свою структуру в силу особенностей физико-химических взаимодействий. Дело в том, что для того, чтобы прилипнуть к гидрофобной (отталкивающей воду) поверхности введенного в организм материала, гидрофильному (взаимодействующему с водой) белку нужно, условно говоря, «задрать» свою гидрофильную «рубашку», оголив сокровенное гидрофобное «нутро». Осуществляя этот замысловатый процесс, он принимает неестественную для него позу, как говорят биохимики и молекулярные биологи, меняет свою конформацию. Эту неестественность тут же распознают хозяйские антитела и запускают сигнал о том, что в крепость проник чужак.

Избежать этого процесса невозможно. Но, как оказалось, есть способ «оседлать» его, направив в мирное русло. Как это принято в Теории решения изобретательских задач, предложенной некогда Генрихом Альтшуллером, идеальное решение состоит в том, чтобы фактор, создающий проблемы, сам эту проблему и устранил. И, пожалуй, в описанном выше случае этот метод отлично сработал.

Коротко говоря, нам нужно, чтобы белки на нашей имплантируемой поверхности осели, но осели правильным образом, сохраняя опрятность и естественность «поз». Для этого нужно изменить их принцип взаимодействия с поверхностью: ведущими взаимодействиями должны стать не гидрофобные и гидрофильные (поскольку конформация, то есть «поза» белка как раз ими и определяется), а, к примеру, ковалентные. Иными словами, чтобы избежать физико-химических нежелательных процессов, мы должны прибегнуть к образованию строго химических связей, которые бы прочно пришивали белок к поверхности, не меняя его природы. Но как нам умудриться ковалентно «пришить» молекулу к поверхности полимерного импланта? Ведь там, по сути, не к чему пришивать. Как многие, наверное, помнят, ковалентная связь образуется за счет взаимного обмена двух атомов электронами, то есть для её возникновения нам требуются атомы со свободными электронами. Если же мы говорим о крупных молекулах вроде белков и полимеров, то нам нужны т.н. «свободные радикалы», то есть, крупные молекулярные конструкты, содержащие в своей структуре атомы со свободными электронами. Теперь вопрос в том, где их взять и как умудриться осуществить с ними взаимодействие. Дело в том, что все известные химии свободные радикалы чрезвычайно активны и агрессивны. Коль скоро они в среде появились, они тут же, не задумываясь, с чем-нибудь реагируют, снимая свое химическое «напряжение».

И здесь начинается самое интересное. Было показано, что обработка полимерных поверхностей частицами плазмы сильно меняет её химические свойства. А именно: при бомбардировке углеводороды наповерхности полимера образуют графеновые структуры, то есть, углерод выстраивается в сетку из шестиугольных ячеек. И – самое важное – при этом возникает удивительное, немыслимое доселе явление: долгоживущие свободные радикалы. Их стабильность обусловлена тем, что свободный электрон не закрепощен в пределах одного атома, а может спокойно «гулять» по обширной графеновой сетке, постоянно меняя свое местоположение.

Получив такую «графеновую» поверхность с обилием долгоживущих свободных радикалов, мы можем обработать ее белок-содержащим раствором. Белки тут же к поверхности «пришиваются» и – о чудо! – они при этом и конформации не меняют, и садятся предельно плотно – яблоку негде упасть (а, стало быть, никто из белков не сможет прореагировать с поверхностью по принципу гидрофильности-гидрофобности).

Результаты, о которых докладывал Кондюрин, показывают, что импланты с такими графеново-белковыми поверхностями не вызывают иммунной реакции, соответственно, не отторгаются организмом и не «изолируются» им в кокон из соединительной ткани. Чего, собственно, и требовалось добиться.

Но, как оказалось, это еще не все. Один из бичей хирургической имплантации, помимо иммунного отторжения, являются микробы, которые склонны образовывать пленки на всевозможных поверхностях. Такие пленки невозможно отмыть, а образующие их бактерии – убить. В результате мы получаем неустранимый источник хронической инфекции, который то и дело дает о себе знать. А на графеново-белковых поверхностях, как показывают проводимые в настоящее время работы, биопленок тоже не образуется. Что, в общем-то, очень круто, если это действительно так.

Вообще спектр всевозможных путей использования графенового слоя со свободными радикалами на поверхности полимеров необычайно широк. Фактически, с помощью него можно получать и специальные т.н. «brush-структуры», то есть, специфические нано-щетки, которые обладают сильными антибактериальными свойствами и перспективны, к примеру, в производстве разнообразных поверхностей медицинского оборудования. И, наконец, такой  метод делает возможным всевозможные способы молекулярного «чипирования». Суть такого чипирования заключается в том, что мы к подложке пришиваем те или иные молекулы (антитела, кусочки ДНК и прочее), которые строго специфично реагируют с какими-либо другими молекулами. В результате, если реакция происходит, мы тем или иным способом узнаем о присутствии искомого продукта в среде и можем с высокой точностью оценивать его количество.

Меня во всей этой истории потрясла простота, с которой решается сразу целый ворох проблем. Обрабатываем плазмой поверхность – и сразу горстка плюшек. Разумеется, каждый из этапов методологически совсем не прост, отрабатывался дестилетиями и требует соблюдения своих тонкостей. Но сам принцип! На конференции я спросила Алексея Кондюрина, почему же этот, казалось бы, незамысловатый способ решения не был найден раньше. Он объяснил, что причиной тому явилась (и тут я не смогла не послать лучи понимания Томасу Куну) определенная закостенелость научного сообщества, которое не может принять факта существования долгоживущих свободных радикалов. И, во-вторых, в коммерческих целях, при производстве тех или иных чипов, этот метод, по-видимому, активно используется. Просто производители об этом особо не распространяются в целях соблюдения коммерческой тайны.

В общем, редкое в науке дело – убивать сразу пачку жирных зайцев. Это не может не восхитить и не заинтриговать.

Tags: биологическое, наука, химия
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 6 comments