Kai medicinos prietaisai, tokie kaip širdies stimuliatoriai, implantuojami į kūną, jie paprastai sukelia imuninį atsaką, dėl kurio aplink implantą kaupiasi rando audinys. Šis randas, žinomas kaip fibrozė, gali sutrikdyti prietaisų funkciją ir gali prireikti juos pašalinti.
Kad būtų išvengta tokio įrenginio gedimo, MIT inžinieriai rado paprastą ir bendrą būdą pašalinti fibrozę, padengdami įrenginius hidrogelio klijais. Šie klijai suriša prietaisus su audiniu ir neleidžia imuninei sistemai jį atakuoti.
„Daugelio mokslinių tyrimų grupių ir įmonių svajonė yra implantuoti į kūną tai, ko organizmas ilgainiui nematys, o prietaisas gali atlikti terapinį ar diagnostinį funkcionalumą. Dabar turime tokį „nematomumo apsiaustą” ir tai yra labai bendras: nereikia vaisto, nereikia specialaus polimero“, – sako Xuanhe Zhao, MIT mechanikos inžinerijos ir civilinės bei aplinkos inžinerijos profesorius.
Klijai, kuriuos mokslininkai naudojo šiame tyrime, yra pagaminti iš kryžminių polimerų, vadinamų hidrogeliais, ir yra panašūs į chirurginę juostelę, kurią jie anksčiau sukūrė, kad padėtų užklijuoti vidines žaizdas. Tyrėjai nustatė, kad kiti hidrogelio klijų tipai taip pat gali apsaugoti nuo fibrozės, ir jie mano, kad šis metodas gali būti naudojamas ne tik širdies stimuliatoriams, bet ir jutikliams ar prietaisams, kurie tiekia vaistus ar gydomąsias ląsteles.
Zhao ir Hyunwoo Yuk SM '16, PhD '21, buvęs MIT mokslininkas, kuris dabar yra SanaHeal vyriausiasis technologijų pareigūnas, yra vyresnieji tyrimo, kuris pasirodys m. Gamta. MIT postdoc Jingjing Wu yra pagrindinis šio straipsnio autorius.
Fibrozės prevencija
Pastaraisiais metais Zhao laboratorija sukūrė klijus įvairioms medicinos reikmėms, įskaitant dvipuses ir vienpuses juostas, kurios galėtų būti naudojamos chirurginiams pjūviams ar vidiniams sužalojimams gydyti. Šie klijai veikia greitai sugerdami vandenį iš drėgnų audinių, naudojant poliakrilo rūgštį, sugeriančią medžiagą, naudojamą vystykluose. Kai vanduo nuvalomas, cheminės grupės, vadinamos NHS esteriais, įterptos į poliakrilo rūgštį, suformuoja stiprius ryšius su baltymais audinio paviršiuje. Šis procesas trunka apie penkias sekundes.
Prieš keletą metų Zhao ir Yuk pradėjo tyrinėti, ar tokie klijai taip pat galėtų padėti išlaikyti medicininius implantus ir užkirsti kelią fibrozei.
Siekdamas išbandyti šią idėją, Wu padengė poliuretano prietaisus jų klijais ir implantavo juos ant žiurkės pilvo sienos, storosios žarnos, skrandžio, plaučių ar širdies. Po kelių savaičių jie išėmė prietaisą ir nustatė, kad nėra matomo rando audinio. Papildomi bandymai su kitais gyvūnų modeliais parodė tą patį: visur, kur buvo implantuoti klijais padengti prietaisai, fibrozė nepasireiškė iki trijų mėnesių.
„Šis darbas tikrai nustatė labai bendrą strategiją ne tik vienam gyvūno modeliui, vienam organui ar vienai programai“, – sako Wu. „Visuose šiuose gyvūnų modeliuose turime nuoseklius, atkuriamus rezultatus be jokios pastebimos fibrozinės kapsulės.
Naudodami masinį RNR sekos nustatymą ir fluorescencinį vaizdą, mokslininkai išanalizavo gyvūnų imuninį atsaką ir nustatė, kad pirmą kartą implantavus prietaisus su lipnia danga, imuninės ląstelės, tokios kaip neutrofilai, pradėjo skverbtis į šią sritį. Tačiau priepuoliai greitai užgeso, kol nesusiformavo randų audinys.
„Priklijuotiems prietaisams yra ūminis uždegiminis atsakas, nes tai yra pašalinė medžiaga“, – sako Yuk. „Tačiau labai greitai uždegiminis atsakas sumažėjo, ir tada jūs neturite šio fibrozės formavimosi.”
Viena iš šių klijų panaudojimo gali būti epikardo širdies stimuliatorių dangos – prietaisai, kurie dedami ant širdies, kad padėtų kontroliuoti širdies ritmą. Laidai, kurie liečiasi su širdimi, dažnai tampa fibroziniai, tačiau MIT komanda nustatė, kad implantuojant klijais padengtus laidus žiurkėms, jie išliko funkcionalūs mažiausiai tris mėnesius, nesusidarė randų audinys.
Mechaniniai ženklai
Tyrėjai taip pat išbandė hidrogelio klijus, kuriuose yra chitozano, natūralaus polisacharido, ir nustatė, kad šie klijai taip pat pašalino fibrozę atliekant tyrimus su gyvūnais. Tačiau du komerciniai audinių klijai, kuriuos jie išbandė, neparodė šio antifibrozinio poveikio, nes komerciniai klijai galiausiai atsiskyrė nuo audinio ir leido imuninei sistemai pulti.
Kito eksperimento metu mokslininkai implantus padengė hidrogelio klijais, bet po to pamerkė juos į tirpalą, kuris pašalino polimerų lipnias savybes, išlaikant bendrą jų cheminę struktūrą. Po implantacijos į kūną, kur jie buvo laikomi siūlėmis, atsirado fibroziniai randai. Tai rodo, kad yra kažkas dėl mechaninės klijų ir audinio sąveikos, kuri neleidžia imuninei sistemai atakuoti, teigia mokslininkai.
„Ankstesni imunologijos tyrimai buvo skirti chemijai ir biochemijai, tačiau mechanika ir fizika gali atlikti lygiavertį vaidmenį, todėl turėtume atkreipti dėmesį į tuos mechaninius ir fizinius imunologinių reakcijų ženklus“, – sako Zhao, kuris dabar planuoja toliau tirti, kaip tie mechaniniai. signalai veikia imuninę sistemą.
Yuk, Zhao ir kiti įkūrė įmonę SanaHeal, kuri dabar toliau kuria audinių klijus, skirtus medicinos reikmėms.
„Kaip komanda, esame suinteresuoti pranešti apie tai bendruomenei ir paskatinti spėliones bei vaizduotę, kur tai gali nueiti“, – sako Yuk. „Yra tiek daug scenarijų, kai žmonės nori sąveikauti su svetimomis ar žmogaus sukurtomis medžiagomis kūne, pavyzdžiui, implantuojamaisiais prietaisais, vaistų saugyklomis ar ląstelių saugyklomis.
Tyrimą finansavo Nacionaliniai sveikatos institutai ir Nacionalinis mokslo fondas.
