Когда дело доходит до исцеления ужасных ран войны, успех может зависеть от первого сгустка крови – того, который начинает формироваться на поле боя сразу после травмы.
Исследователи, изучающие сложный поток клеточных сигналов, производимых организмом в ответ на травматическое повреждение, полагают, что первоначальный ответ – образование сгустка крови – может контролировать последующее заживление. Используя эту информацию, они разрабатывают новые биоматериалы, в том числе искусственные тромбоциты с добавлением регулирующих химикатов, которые могут быть включены в устройство для инъекций размером с iPhone. Солдаты, раненые в бою, могут использовать устройство для лечения себя, помогая контролировать кровотечение, стабилизируя травму и задавая правильный курс для исцеления.
Формирование "дизайнер" образование тромбов из искусственных тромбоцитов будет вызвано тем же фактором, который инициирует естественные процессы свертывания крови в организме. В моделях на животных синтетические тромбоциты сокращали время свертывания примерно на 30 процентов, хотя материалы еще не были протестированы на людях.
"Идея состоит в том, чтобы использовать на поле боя технологии, которые доставляли бы биоматериал, способный обнаруживать, где происходит кровотечение, и усиливать собственные процессы свертывания крови в организме," сказал Томас Баркер, адъюнкт-профессор Wallace H. Колтер, факультет биомедицинской инженерии Технологического института Джорджии и Университета Эмори. "Одновременно этот материал поможет проинструктировать биохимию и биофизику структуры сгустка, которая будет управлять последующим заживлением."
Баркер должен представить информацию об исследовании в пятницу, фев. 15 на брифинге на ежегодном собрании Американской ассоциации развития науки (AAAS). Исследование частично спонсировалось Национальными институтами здравоохранения (NIH), Университетом США.S. Министерство обороны через Центр передовой биоинженерии для выживаемости солдат в Технологическом институте Джорджии и стипендию Американской кардиологической ассоциации для Эшли Браун, научного сотрудника, работавшего над проектом.
После травмы самая острая необходимость – остановить кровотечение. Но по мере заживления травм они часто вызывают значительные рубцы, которые трудно поддаются лечению. Исследователи Технологического института Джорджии работают над обеими сторонами проблемы, разрабатывая методы передачи сигналов клеток, которые могут предотвратить образование шрамов, а также методы лечения фиброза, который часто является долгосрочным результатом. Помимо остановки кровотечения, синтетические тромбоциты будут доставлять регулирующие химические вещества, предназначенные для предотвращения рубцевания.
"Сгусток крови фактически определяет, как будет происходить весь процесс заживления ран," Баркер сказал. "Исходная матрица сгустка инструктирует очень специфическое клеточное поведение, которое имеет последствия для следующей волны клеток, которая приходит для выполнения определенной работы, что имеет последствия для следующей волны клеток. Если мы сможем изменить этот первоначальный сгусток, он может стать трехмерной матрицей, необходимой для создания регенерированной или восстановленной ткани."
Синтетические тромбоциты, состоящие из крошечных структур, известных как гидрогели, могут быть введены в кровоток, где они будут циркулировать до тех пор, пока не будут активированы собственными процессами свертывания крови в организме. После активации частицы – диаметром около одного микрона – изменят форму, превратившись в тонкую пленку, которая поможет закрыть раны. Чтобы разработать эти гидрогели, Баркер сотрудничает с Эндрю Лайоном, профессором Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии.
Кровоток содержит белки, известные как фибриноген, которые являются предшественниками фибрина, полимера, который обеспечивает основную структуру естественных сгустков крови. Когда они получают правильные сигналы от белка, называемого тромбином, эти предшественники полимеризуются в месте кровотечения. Чтобы предотвратить непреднамеренную активацию своих синтетических тромбоцитов, исследователи используют тот же триггер.
Исследователи следовали процессу, известному как молекулярная эволюция, чтобы разработать антитело, которое могло быть прикреплено к гидрогелям, чтобы вызывать изменение их формы, когда они сталкиваются с активированным тромбином фибрином. Полученное антитело имеет высокое сродство к полимеризованной форме фибрина и низкое сродство к предшественнику.
"Мы знали молекулу, которую хотели, и мы знали домены, которые были важны для распознавания," Баркер сказал. "Основная концепция дизайна заключалась в способности распознавать активный формирующийся сгусток из растворимого неактивного предшественника."
Искусственные тромбоциты до сих пор тестировались на крысах и отдельно с использованием смоделированных in vitro эндотелиальных систем в лаборатории Уилбура Лэма, доцента Университета Эмори в Атланте. Хотя работа еще далека от устройства, которое можно было бы использовать на поле боя, Баркер предполагает передать исследования в стартап-компанию, которая разработает технологию для повышения выживаемости раненых солдат.
"Вы могли бы иметь его буквально в кармане любого солдата, который мог бы вытащить его при необходимости," Баркер объяснил. "При выдвижении иглы вы сломаете упаковку с лиофилизированными частицами. Затем устройство будет помещено на брюшную полость, где частицы будут введены в кровоток. Они будут циркулировать в неактивном состоянии, пока не столкнутся с инициацией свертывания крови."
Как только кровотечение было остановлено, цитокины и противовоспалительные соединения в "дизайнер" сгусток может помочь определить фенотип, который должны принять заживляющие клетки, и регулировать их поведение. Это подготовит почву для последующего процесса исцеления.
Чтобы помочь солдатам, уже страдающим от последствий фиброза – сокращения рубцовой ткани – исследователи разрабатывают полимер, к которому присоединен природный пептид. Пептид помогает регулировать процесс восстановления, который приводит к образованию рубцов, и в конечном итоге может помочь уменьшить или обратить вспять эффекты фиброза. Эта техника обратила вспять эффекты легочного фиброза на животной модели.
Хотя исследование сосредоточено на потребностях солдат, раненых на поле боя, многие из технологий в конечном итоге могут найти применение в гражданских целях. Поскольку искусственные тромбоциты активируются только при обнаружении тромбин-активированного фибрина, они могут быть использованы техниками скорой медицинской помощи, которые лечат пациентов с подозрением на внутреннее кровотечение, сказал Баркер.