Магнитные проводники для восстановления дефектов нерва сделали в ТПУ

Томские ученые с коллегами из ведущих российских вузов разработали композитные магнитные проводники или кондуиты для регенерации периферических нервов. Их имплантируют в область дефекта, что помогает восстановлению внутри них поврежденного нерва. 

Как объясняют исследователи из Томского политехнического университета (ТПУ), принцип действия кондуитов основан на пьезоэлектрическом эффекте, когда механические деформации трансформируются в электрические сигналы, которые имитируют физиологичную электроактивную среду нервов. Полученные проводники биосовместимы и, в отличие от существующих на рынке аналогов, обладают дополнительными биоактивными свойствами.

Восстановить поврежденные нервы непросто из-за низкой регенеративной способности зрелых нейронов. Самым распространенным в клинической практике подходом к закрытию повреждений считается трансплантация нервов. Но у этого метода есть издержки (заболеваемость донорского места, нехватка доноров, необходимость повторной операции и др.). Поэтому разработка эффективной терапевтической стратегии — важная и своевременная задача для мировой науки.

Хорошим инструментом для формирования мягких тканей, включая нервы, ученые называют электрические стимулы, которые могут обеспечиваться электроактивными материалами. Сотрудники Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ создали магнитные проводники на основе биосовместимого полимера поли-3-оксибутирата (ПОБ), обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Разработка реализована в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и Научного центра биотехнологии РАН.

«Магнитный проводник изготовлен методом электроформования, за счет чего он имеет высокопористую микроволокнистую структуру. Она имитирует структуру внеклеточного матрикса нервов, направляет рост нервной ткани вдоль волокон и обеспечивает транспорт различных сопутствующих метаболитов и питательных веществ к нерву. Кроме того, мы функционализировали проводник биосовместимыми наночастицами магнетита, „зашитыми“ внутри волокон. Они способны оказывать непосредственную магнитомеханическую стимуляцию нервной ткани во внешнем магнитном поле. Также в магнитном поле магнетит механически воздействует на полимер, тем самым активируя пьезоэлектрический отклик. Поэтому наши кондуиты, в отличие от имеющихся аналогов, оказывают дополнительную магнитомеханическую и электрическую стимуляцию для восстановления нерва», — рассказала инженер-исследователь Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Лада Шлапакова.

Кондуит представляет собой полую трубку, которую можно изготовить с персонализированными размерами и структурой. Ее имплантируют в область дефекта нерва, в ходе операции в трубку вставляют концы поврежденного нерва, который впоследствии восстанавливается внутри кондуита. Это происходит благодаря его свойствам — составу, микроструктуре, пористости. По мере восстановления нерва кондуит растворяется в организме с образованием безопасных продуктов разложения. В результате, в области травмы остается только восстановленный нерв.

Работая над проектом, ученые проводили биологические исследования in vitro и in vivo. Они показали, что кондуит поддерживает рост мезенхимальных стволовых клеток крысы и нейрон-подобных клеток в низкочастотном магнитном поле. А после имплантирования кондуита для терапии повреждения седалищного нерва крысы исследователи доказали, что этот материал биосовместим и выполняет барьерную функцию, что способствует регенерации нервов.

«Электрическая стимуляция особенно актуальна для восстановления такой электрочувствительной ткани, как нервы. Нейронная сеть представляет собой сложную биоэлектрическую цепь, состоящую из множества нейронов, соединенных посредством химических и электрических синапсов. Передача сигналов в этой сети управляется электрическим полем и основана на системе электрических зарядов, нейромедиаторов и потенциалов действия. Таким образом, нейронная сеть высокочувствительна к внешним электрическим полям. Мы полагаем, что воссоздание нормальной электрической среды за счет имплантации электроактивного биоматериала обеспечивает эффективную терапию повреждений периферических нервов», — объяснил директор Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Сурменев.

Теперь ученые планируют усовершенствовать волокнистую структуру кондуитов посредством ориентации волокон в определенном заданном направлении. Такая структура наиболее перспективна, поскольку точнее воспроизводит морфологию нативного внеклеточного матрикса нервов и нервных волокон. Кроме того, ведутся исследования, направленные на улучшение физико-химических свойств проводников — пьезоэлектрического отклика и гидрофильности поверхности.

Исследование проводилось при грантовой поддержке Минобрнауки и Российского научного фонда. Результаты работы ученых опубликованы в журналах ACS Applied Bio Materials и Materials Today Bio.