Российские ученые разработали смесевые матриксы с длительным высвобождением белка, совместив несовместимые компоненты.

Российские ученые из Федерального научного-клинического центра физико-химической медицины (ФНКЦ ФХМ), Московского физико-технического института (МФТИ) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (МГУ) доказали возможность совмещения двух несмешивающихся компонент (полимера и белка) в одном волокне матрикса, полученного методом электроспиннинга, и показали, что белок может пролонгировано высвобождаться из матрикса. Смесевые матриксы, содержащие белок, перспективны в биомедицине в качестве ожоговых и раневых покрытий, тканеинженерных конструкций, матриц для доставки и высвобождения лекарственных средств. Результаты исследований опубликованы в журнале RSC Advances. Работа была поддержана Российским научным фондом.

Электроспиннинг

Матриксы, полученные методом электроспиннинга, состоят из тонких волокон и имеют множество применений: их можно использовать для жидкостной или газовой фильтрации, для культивирования клеток, в качестве сорбентов и каталитических матриц, для создания защитной одежды, раневых антибактериальных покрытий, систем для доставки лекарственных средств, а также имплантируемых тканеинженерных конструкций. Электроспиннинг позволяет создать микро- и нановолокна из полимерного раствора или расплава под действием электростатических сил. К капле прикладывается высокое напряжение (~20 кВ), в результате чего она электризуется и начинает вытягиваться в тонкое волокно, когда сила кулоновского отталкивания превышает силу поверхностного натяжения. Метод электроспиннинга достаточно гибкий: в состав матриксов можно вводить различные компоненты: микро- и наночастицы различной природы, углеродные нанотрубки, флуоресцентные красители, лекарственные и антисептические средства, смеси полимеров и биополимеров. Это позволяет тонко настраивать свойства матриксов для решения конкретной практический задачи.

Белок-полимерные матриксы

Часто в качестве базового элемента матрикса используется полимер-носитель, обеспечивающий стабильное формирование волокон, к которому можно добавить дополнительные компоненты. Для биомедицинских целей используют биодеградируемые и биосовместимые полимеры. Один из наиболее популярных — полилактид (ПЛА), он используется для изготовления биоразлагаемых упаковок, в качестве чернил для 3D-принтеров, также из него изготавливаются хирургические шовные нити и штифты.

Основной недостаток ПЛА для использования в биомедицине — плохая смачиваемость и, как следствие, плохая адгезия клеток. Для того, чтобы решить эту проблему, в состав матриксов вводят белки, поскольку они нетоксичны, гидрофильны, естественным путем выводятся из организма, а также могут выступать как терапевтические препараты.

Авторы работы исследовали смесевые матриксы из ПЛА и белка бычьего сывороточного альбумина (БСА), полученные методом электроспиннинга. БСА — водорастворимый глобулярный белок, ПЛА в воде нерастворим. Авторы обнаружили, что в водной среде белковая компонента выходит из состава матрикса (растворяется) постепенно: в течение недели высвобождается около половины всего содержащегося белка. Этот эффект можно использовать для пролонгированного высвобождения белковых лекарственных средств.

Для возможности предсказания свойств смесевых матриксов ученые исследовали распределение белковой компоненты в их составе. Дело в том, что большинство полимеров между собой плохо смешиваются, то есть в системе «полимер — белок — растворитель» происходит фазовое разделение компонент, и вместо общего раствора образуются два отдельных раствора полимера и белка в одной пробирке. Выбранная исследователями смесь ПЛА и БСА — не исключение. Однако электроспиннинг позволил преодолеть фазовое разделение: ученые показали, что обе компоненты присутствуют в каждом волокне, тремя независимыми методами (флуоресцентной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) и спектроскопии комбинационного рассеяния отдельных волокон).

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/RA/C9RA10910B
EDX анализ волокон из ПЛА (верхняя строчка), БСА (средняя строчка) и смеси ПЛА-БСА в равных пропорциях (нижняя строчка)
Цветные снимки показывают карты волокон по углероду (зеленый), кислороду (желтый) и азоту (красный). Наличие азота говорит о присутствии белка

«Белок-полимерные смесевые матриксы, полученные электроспиннингом, имеют множество потенциальных применений. С помощью вариации количества белковой компоненты можно «настраивать» время биодеградации всего матрикса. С помощью множества функциональных групп белка можно модифировать поверхность матрикса и «пришивать» к ней различные вещества или использовать матрикс как селективный фильтр. Также можно использовать смесевые матриксы для пролонгированного высвобождения белка, например, в ожоговых и раневых покрытиях», — комментирует Дмитрий Клинов, руководитель лаборатории медицинских нанотехнологий ФНКЦ ФХМ, сотрудник кафедры молекулярной и трансляционной медицины МФТИ.

Материал предоставлен пресс-службой МФТИ

www.popmech.ru