Применение волокон в медицине кратко

Обновлено: 02.07.2024

Волоконной оптикой называется раздел оптики, в котором рассматриваются передача света и изображения по световодам. Светопроводы-волоконно-оптические детали, которые способны передавать свет по каналам.

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления,

многократно отражающегося и распределяющегося вдоль этого волокна. Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок, то потери энергии в основном обусловлены поглощением света веществом внутри волокна.

Для передачи больших свет потоков и сохранения гибкости светопроводящих систем отдельные волокна собираются в пучки - световоды. В медицине световоды используют для:

1) передачи световой энергии, главным образом для освещения холод светом внутренних полостей,

2) передачи изображения.

Эндоскоп специальный прибор для осмотра внутренних полостей, состоит из 2х частей: источника света и смотровая часть. Используя волоконную оптику, удалось свет от лампочки передавать внутрь органа по световоду, тем самым избегая нежелательного нагревания этого органа, а также гибкость волоконных оптических систем допускает осмотр большей части полостей, чем жестяные эндоскопы.

35. Устройство микроскопа. Формула для увеличения. Разрешающая способность. Предел разрешения. Полезное увеличение. Специальные приемы микроскопии.

Микроскоп- оптический прибор, предназначенный для получения увеличенного изображения микрообъектов и определения их размеров.

Оптическая система микроскопа состоит из 2х частей:

1) осветительная- осветитель, осветительное зеркало, диафрагма, конденсор (свет от осветителя попадает на зеркало и собирается конденсором).

2) наблюдательная – объектив - создает действительное увеличенное перевернутое изображение, окуляр- создание увеличенного мнимого изображения.

Увеличение микроскопа определяется по формуле: Г=∆ *S/f1*f2. f1,f2- фокусные расстояния объектива и окуляра, S- расстояние наилучшего зрения, ∆ - оптическая длина тубуса(расстояние м\у задним фокусом объектива и перед фокусом окуляра).

Разрешающая способность - способность давать раздельное изображение 2х соседних точек объекта.

Наименьшее расстояние м\у 2мя точками, при котором изображения этих точек не сливаются - предельно разрешимым расстоянием.

Увеличенное изображение на сетчатке глаза должно быт не меньше величины, разрешаемой глазом- Zгл. В связи с этим вводится понятие полезного увеличения: Г=Zгл/Z=(Zгл*2n*sinф)/λ

Специальные приемы микроскопии: метод светлого поля- поток лучей из конденсоров проходит через препарат, лучи, прошедшие препарат, не рассеянные и не поглащенные объектами, создают светлое поле. Детали препарата, отличающиеся от окружающей среды поглощающей способностью, частично поглощают, частично рассеивают попавший на них свет, что и обусловливает возникновение изображения.

В случае если детали объекта мало различимы по своим адсорбционным свойствам, применяют способ окрашивания, при котором части препарата за счет различного поглощения красителя приобретают разную оптическую плотность.

36. Индуцированное излучение. Оптически квантовые генераторы (лазеры). Основные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в биологических исследованиях и медицине. Лазерные аппараты для коагуляции и обработке тканей.

Лазер- квантовый генератор видимого диапазона излучения (рубин в качестве рабочего вещества). Этот оптический квантовый генератор (ОКГ) создает импульсное излучение с длиной волны 694,3 нм и мощностью в импульсе 1 МВт. Возбуждение осуществляется специальной лампой.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: строгая монохроматичность (длина волны прим-но 0.01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность. Направления применения в медицине:

1) основано на свойстве разрушать биологические ткани, что совместно с коагуляцией белка позволяет производить некоторые бескровные рассечения (прибор офтальмокоагулятор, хирургический нож)

2) связано с голографией (метод получения изображения путем дифракции и интерференции) ,например гастроскоп.

Недавно разработанные биоразлагаемые волокна обеспечивают решения для различных медицинских применений, поскольку они сулят улучшение эксплуатационных характеристик и расширение функциональности при более конкурентном уровне цен.

Производство медицинского волокна является в настоящее время быстро развивающейся отраслью, поскольку по всему миру внедряются применения, преимущественно в виде медицинских имплантатов и шовного материала для снятия ряда проблем от дисфункций органов до дефектов тканей.

В Соединенных Штатах ежегодно проводится восемь миллионов операций по восстановлению органов и тканей на сумму более US$40 миллиардов, что составляет половину совокупных затрат станы на медицинское обслуживание, четвертая часть этой суммы тратится на соответствующие волоконные материалы и продукты.

Биоразлагаемые волокна, используемые в качестве материалов для имплантатов, должны обладать надежными свойствами, такими как достаточная степень биосовместимости, износостойкости и способности к биологическому разложению. Это одни из самых ценных медицинских продуктов, поскольку они вступают в непосредственный контакт с человеческим организмом, и играют важную роль в обеспечении успешности и безопасности медицинских операций и процедур. Таким образом, производство биоразлагаемых волокон обладает большим потенциалом для глобалного медицинского рынка.

Множество применений для поливинилового спирта

Поливиниловый спирт (PVA), получаемый в результате гидролиза полимера, называемого поливинилацетатом, представляет собой высокомолекулярный растворимый в воде полимер, широко используемый в самых различных областях.

PVA обладает прекрасным свойствами для формования пленки и связывающими свойствами. Он устойчив к воздействиям масла, растворителя и истирания при высокой эластичности, у него также высокие противокислородные барьерные свойства. Растворимый PVA растворим в воде, а еще лучше он растворяется при более высокой температуре воды, тем не менее, он почти нерастворим органическими растворителями.
PVA текстильной марки представляет собой полностью или частично гидролизованный полимер. Полностью гидролизованный PVA растворяется в холодной воде, в то время как частично гидролизованный спирт нерастворим в холодной воде. Таким образом, можно создавать полимерный раствор с помощью воды, и PVA можно подвергать прядению сухим или влажным способом.

Полимеры РGLA дают экономическую выгоду

Полигликолид лактид (PGLA) позволяет получить поглощаемый медицинский шовный материал, исключая, таким образом, необходимость его удаления после проведения хирургической операции. Это особенно удобно для медицинских операций внутри человеческого организма, таких как анастомоз печени, селезенки, кишечника и желудка, а также при акушерских и прочих хирургических процедурах в области пластической хирургии, офтальмологии и общей хирургии.

Изображение сканирующим электронным микроскопом полимерной платформы на основе волокон, состоящей из нетканой сетки из волокон PGA (Источник фото: Ближневосточный технический университет)

Этот продукт имеет большую экономическую ценность, поскольку он очень полезен для современной медицинской науки.

PGLA, при стоимости не более RMB 50,000 за килограмм, имеет рыночную стоимость RMB 300,000 после обработки и создания рассасывающегося шовного материала.

В развитых странах рассасывающийся шовный материал широко используется на рынке медицинского шовного материала, на его долю приходится до 85% от всего объема рынка в США, например. В таких менее развитых странах, как, например, Китай, используется шовный материал из кетгута, хотя его все больше и больше вытесняет шовный материала, изготавливаемый из полигликолевой кислоты (PGA) и PGLA.

PLA на основе растений запущены в промышленное производство

Полиоксипропионовая кислота (PLA) стала распространенным полимером для проведения теоретических и коммерческих исследований в США и Японии, где изучают ее различные применения и большой потенциал. Компания NatureWorks LLC (ранее известная как Cargill Dow Polymers LLC) в США и компания Toray Industries в Японии являются своего рода пионерами в области работы с PLA. Toray Industries приобрела в 2005 г. бизнес Kanebo Gohsen в области биоразлагаемого волокна из полиоксипропионовой кислоты.

Способная полностью подвергаться биологическому разложению PLA является полимером на растительной основе, который производится полимеризацией молочной кислоты, которая сама образуется с помощью ферментизации крахмала, содержащегося в сладкой кукурузе и других растениях.

Как сообщает Toray, не наносящая ущерба окружающей среде PLA обладает большим потенциалом за счет своей "углеродно нейтральной" способности, которая помогает управлять газами, вызывающими парниковый эффект, и сохранять истощающиеся запасы нефти.

В условиях постоянно повышающихся цен на нефть, PLA привлекает все большее внимание к своему потенциалу для использования в качестве никозатратного сырьевого материала в будущем, а компании ищут путей увеличения числа применений в самых различных областях.

Сама компания Toray осуществила полномасштабный запуск в промышленное производство пленки из полиоксипропионовой кислоты, а именно Ecodear, в 2006 г., предполагая получить производительность в 5,000 тонн на своем южнокорейском филиале. Ecodear реализуется на рынке в качестве универсального бренда компании из PLA.

Полимеры PLA обеспечивают хорошие функциональные эксплуатационные характеристики, что делает их применимыми для производства целого ряда рыночных применений. Так же, как и полиэтилен терефталат (PET), полимеры PLA нетоксичны и не действуют раздражающим образом, у них высокая степень биоразлагаемости и биодоступности.

PLA используется в медицинских применениях, включая хирургический шовный материал, капсулы замедленного высвобождения в системах доставки лекарственных препаратов, а также материалах для укрепления при переломах костей.

Так, например, биорассасывающаяся PLA может использоваться как подложка для костного морфогенетического белка (BMP). Гистологические исследования показали, что по мере того, как формировались новые кости, PLA постепенно поглощалась; она полностью исчезла по прошествии определенного периода времени, и была заменена соединительной тканью. Не было обнаружено никаких отрицательных воздействий, и PLA была признана подходящим и многообещающим материалом для медицинских применений.

PCL обладает превосходной биосовместимостью

Обладая выдающимися биосовместимостью, памятью и биоразлагаемостью, поликапролактон (PCL) широко используется для производства медицинских применений и применений общего назначения, таких как: скобки, шовный материал, повязки и разлагаемая пластмасса.

Полимеры PCL являются кристаллическими, и разлагаются очень медленно. Они разлагаются в два этапа. Сначала они постоянно уменьшают свою молекулярную массу без деформации. В ходе второго этапа, по мере того, как молекулярная масса продолжает уменьшаться, полимеры начинают расщепляться на фрагменты, затем следует абсорбция и выведение из человеческого организма.

Пластформы РHA с хорошими механическими свойствами

Полиоксиалканат (PHA)представляет собой биоразлагаемый материал с хорошей биосовместимостью, а полиоксибутират (PHB) является широко используемым представителем семейства PHA.

Поскольку композиты РНА и на основе РНА нерастворимы в воде, биоразлагаемы, биосовместимы и имеют хорошие термопластические свойства, их можно использовать при создании целого ряда биомедицинских и тканевых инжиниринговых применений. Они обладают потенциалом для замещения некоторых функций платформ на металлической основе и компонентов, которые не поддаются разложению.

Metabolix это компания из США, которая первая запустила в промышленное производство полигидроксиалканоаты (PHA).

По данным Metabolix, PHA создаются на основе биокаталитической технологии с использованием возобновляемых сырьевых материалов, таких как кукурузный крахмал, тростниковый сахар и растительные масла. Эти натуральные PHA пластмассы очень универсальны, они обладают широким диапазоном физических свойств, и являются практическими альтернативами синтетическим нефтехимическим пластмассам. PHA бывают различными, от жестких до очень гибких, они обладают очень хорошими барьерными свойствами, а также устойчивостью к воздействию горячей воды и смазки.

Замена нефтехимических пластмасс PHA может также дать существенные экономические преимущества. По данным компании, производство 50 миллиардов фунтов натуральной пластмассы из РНА для замены примерно половины используемой в Соединенных Штатах в настоящее время нефтехимической пластмассы уменьшит импорт нефти на более чем 200-230 миллионов баррелей в год.

Полидиоксанон обеспечит безопасность и надежность

PDS (полидиоксаноновый шовный материал), новый синтетический рассасывающийся шовный материал, не нуждается в последующем удалении, но он сохраняет прочность на разрыв дольше, чем прочие виды рассасывающегося шовного материала. Прочность на разрыв PDS сохраняется от 60 до 90 дней, а рассасывание занимает от 130 до 180 дней.

PDS дает небольшое растягивание ткани и вызывает минимальную реакцию ткани. Его часто используют в тех областях, где требуется дополнительная поддержка в течение длительных периодов времени, а также в областях с высоким напряжением, таких как спина.

ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН

Физические и метаболические эффекты пищевых волокон при различных патологических состояниях макроорганизма

Пищевые волокна (ПВ) и заболевания гастродуоденальной зоны
Пищевые волокна и заболевания кишечника
Пищевые волокна и рак толстой кишки
Пищевые волокна и холелитиаз (Желчнокаменная болезнь)
Пищевые волокна и цирроз печени
Пищевые волокна и заболевания обмена веществ
Пищевые волокна и сахарный диабет
Пищевые волокна и нарушения липидного обмена при заболеваниях сердечно-сосудистой системы
Пищевые волокна и ожирение
Пищевые волокна и аллергические реакции и псевдоаллергические синдромы

Пищевые волокна (ПВ) и заболевания гастродуоденальной зоны

Экспериментальные и клинические исследования выявили полезное воздействие ПВ у лиц с заболеваниями гастродуоденальной зоны, реализуемые несколькими путями:

Увеличение полупериода эвакуации из желудка как жидкой, так и твердой пищи (в основном пектины и слизи), увеличение моторного индекса двенадцатиперстной кишки.
Стимуляция репаративных процессов в стенке желудка (наиболее выраженное у люцерны, эспарцета и микрокристаллической целлюлозы); восстанавливающее действие на железистый аппарат желудка (возрастание функции желез с низкой их активностью до лечения и снижение секреторной функции с изначально гиперфункциональным состоянием).
Торможение секреторной активности желудочного сока.
Повышение рН в теле и антральном отделе желудка.
Уменьшение регургитации желчи в желудок посредством увеличения абсорбции желчных кислот.

Что касается предупреждений обострений язвенной болезни и удлинении сроков ремиссии, мнения исследователей противоположны: по данным Kang J.Y. et al (1988) прием ПВ не вызывал снижения частоты рецидивов, однако в работах Rydning A (1990) указано на достоверное удлинение периода ремиссии и снижение частоты обострений.

Более важное значение приобретает потребление ПВ пациентами, перенесшими резекцию желудка.

Благотворное действие ПВ направлено на:

Профилактику рака ободочной и прямой кишки (воздействие на желудочную секрецию и метаболизм желчных кислот)
Профилактику и лечение демпинг-синдрома:
За счет влияния ПВ на эвакуаторную функцию желудка (увеличение времени)
Модификация инкреции интестинальных гормонов (энтероглюкагона и желудочного ингибирующего полипептида).

Пищевые волокна и заболевания кишечника

Заболевания кишечника по ряду эпидемиологических исследований занимают 2–3 место среди других патологий ЖКТ. Лидирующее положение в списке заболеваний кишечника отводят хроническим колитам различной этиологии, синдромураздраженного кишечника и другим функциональным заболеваниям с нарушениеммоторно-эвакуаторной функции, а также дивертикулезу толстой кишки, который развивается как результат чрезвычайного напряжения при акте дефекации, что характерно при потреблении так называемой западной (содержащей мало ПВ) диете.

Как указывалось ранее , к метаболитам, ответственным за энергообеспечение эпителия, поставке субстратов липо- и глюконеогенеза, поддержание ионного обмена (схема 1) относят короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК) и их соли, продуцируемые микрофлорой кишечника . Поэтому ПВ, помимо прямых физических эффектов, являясь субстратом для микрофлоры, оказывают многофункциональное действие при хронической патологии кишечника.

Эффекты, оказываемые ПВ при хронических заболеваниях толстой кишки, можно суммировать в следующем списке:

ПВ при различных видах обработки оказывают разнонаправленное воздействие на транзит химуса и кала по пищеварительному тракту, а также на массу и состав кала:

увеличивают массу фекалий, содержание в них жидкости, уменьшают время кишечного транзита при заваривании кипятком и увеличении потребления суточного количества жидкости до 1,5–2 л/с;
уменьшают массу фекалий, содержание в них жидкости, увеличивают время кишечного транзита при употреблении сухих отрубей.

Изложенное разнонаправленное действие ПВ предполагает их назначение при патологии кишечника с различными типами моторно-эвакуаторных нарушений.

Схема 1. Окислительный и синтетический вклады КЖК в обменные процессы колоноцита, связанные с функциями всасывания Na + , детоксикацией и липогенезом (W.E.W. Roediger, 1990)

ПВ изменяют миоэлектрическую активность кишечника, приводят в равновесие пропульсивные и тонические сокращения мускулатуры толстой кишки.
ПВ, являясь пищевым субстратом для микрофлоры, способствуют нормализации популяционной численности и активности облигатной микрофлоры, которая в свою очередь поставляет КЖК, необходимые для нормальной трофики, энергообеспечения и дифференцировки колоноцитов.
ПВ (особенно грубого помола и из семян) снижают внутрикишечное давление, профилактизируя дивертикулез кишечника и его осложнения.
ПВ не ускоряют транзита химуса в начальном отделе кишечника, где наиболее интенсивно проходят процессы гидролиза нутриентов и значительна степень всасывания пластических и энергетических составных частей пищи, витаминов, микроэлементов и др.

Пищевые волокна и рак толстой кишки

Профилактическая роль ПВ в отношении РТК может быть связана со следующими механизмами:

Пищевые волокна и холелитиаз (Желчнокаменная болезнь)

В многочисленных экспериментальных исследованиях показана способность ПВ снижать концентрацию холестерина в желчи и предотвращать возникновение холестериновых желчных камней.

Учитывая метаболизм холестерина в организме (схема 2), механизм влияния ПВ на снижение холестерина реализуется следующими путями:

Абсорбция холестерина и желчных кислот (ЖК) и усиленное выведение их с калом.
Для поддержания пула ЖК, выводимых с калом, происходит усиленный синтезих из холестерина, уменьшая его количество в желчи.

Схема 2. Метаболизм холестерина в организме (Vanhouny G.V.,1982, модификация Ардатской М.Д., 2001)

Кроме того, действие ПВ на ингредиенты и литогенность желчи связано в большей степени с изменением метаболизма ЖК и их энтерогепатической циркуляции (схема 3).

Схема 3. Энтерогепатическая циркуляция желчных кислот у человека

Влияние ПВ на изменение указанной метаболической цепи осуществляется:

Путем изменения качественного состава ЖК: ПВ сорбируют желчные кислоты неодинаково. Свободные ЖК связываются больше, чем конъюгаты, что приводит к снижению индекса литогенности
Изменением метаболической активности и популяционной численности родов микроорганизмов, принимающих участие в 7-α-дегидроксилировании ЖК
Изменением времени транзита по кишечной трубке.

Пищевые волокна и цирроз печени

Как было установлено, ПВ значительно снижают степень ПЭ, путем прямого:

Ре- и абсорбирующего действия в отношении аммиака, среднецепочечных жирных кислот (кислот с разветвленной углеродной цепью (изомеров) и др. нейротрансмиттеров (меркаптанов и др.) и выведения их с калом.
Изменения времени кишечного транзита.

и непрямого:

Изменения метаболической активности и популяционной численности кишечной микрофлоры – продуцентов короткоцепочечных жирных кислот, аммиака, нейротрансмиттеров бактериального происхождения (меркаптаны, γ-аминомасляная кислота)
Снижение проницаемости кишечной стенки, вследствие изменения окислительно-восстановительного внутрипросветного потенциала, что приводит к уменьшению проникновения не только бактериальных нейротрансмиттеров в кровяное русло и лимфу, но и снижает проницаемость и непосредственно для микроорганизмов.

Последнее крайне важно, для профилактики другого грозного осложнения ЦП –спонтанного бактериального перитонита, смертность от которого достигает 50%, а у 69% больных наблюдается рецидив в течение года, где общая смертность в течение уже достигает 61–78%.

Пищевые волокна и заболевания обмена веществ

Заболевания обмена веществ также связывают с уменьшением в рационе современного человека содержания ПВ, что относит их также к болезням цивилизации. Следует полагать, что диетотерапия вышеуказанных заболеваний с включением достаточного количества ПВ обеспечит наибольший профилактический и лечебный эффект.

Пищевые волокна и сахарный диабет

Проведенными исследованиями установлено:

При высоком содержании ПВ в диете увеличивается время всасывания углеводов из ЖКТ, что приводит к более эффективному использованию углеводов периферическими тканями.
Из пищевых волокон различного происхождения положительное влияние оказывали только волокна из хлебных злаков и трав; волокна из фруктов и овощей подобным действием не обладали.
ПВ тормозят всасывание глюкозы в кишечника (гуар).
В меньшей степени способствуют повышению гликемии овощи (а не крупы или картофель).
ПВ тормозят секрецию интестинальных гормонов и ингибируют действие некоторых антинутриентов, что спообствует снижению глюкозурии и кетоацидоза, уменьшает потребность в инсулине.

Таким образом, ПВ могут модифицировать углеводный обмен путем изменения транзита пищевой кашицы в желудке и тонкой кишке, замедления всасывания простых углеводов, стимуляции гликолиза и изменения инкреции инсулина и интестинальных гормонов.

Пищевые волокна и нарушения липидного обмена при заболеваниях сердечно-сосудистой системы

Выявленная существенная отрицательная корреляция между потреблением вегетарианских рационов и смертностью в результате ИБС побудила исследователей более детально оценить влияние пищевого рациона на изменение обмена липидов и развитие патологии ССС.

Известно, что морфологическим субстратом ИБС является холестериновая бляшка. На схеме 4 представлен метаболизм холестерина в организме человека. Многочисленные исследования выявили эффекты ПВ на различные звенья метаболической цепи: ПВ способствуют увеличению содержания холестерина липопротеидов высокой плотности и уменьшению уровня общего холестерина крови посредством адсорбции его, увеличения экскреции желчных кислот и восстановления баланса между образованием и выведением холестерина.

Механизмы влияния ПВ на адсорбцию липидов:

Прямые эффекты:

изменение времени опорожнения желудка;
изменение времени транзита химуса;
блокирование волокнами поверхности слизистой оболочки кишечника, что уменьшает всасывание липидов;
секвестрация желчных кислот и других мицеллярных компонентов.

Непрямые эффекты:

влияние на величину и состав пула желчных кислот:

увеличение фекальной экскреции кислых и нейтральных стероидов как результат нарушения их всасывания из-за недостатка желчных кислот;
увеличение 7-альфа-гидроксилации холестерина;

изменение выброса интестинального глюкагона и панкреатического инсулина
адаптивные изменения кишечной структуры и функции.

Кроме того, установлено, что уменьшение усвояемости цинка, при высоком потреблении ПВ, может приводить к нарушению обмена холестерина.

Пищевые волокна и ожирение

Обоснованность применения ПВ при лечении избыточной массы тела связана со многими факторами. Например, при ферментации пищевых волокон в кишечнике микроорганизмами образуются короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК), среди которых особый интерес представляет пропионовая кислота, т.к. пропионаты стимулируют секрецию лептина - гормона, регулирующего аппетит и усиливают процесс перевода жиров в энергию.

Факторы влияния ПВ на эффективность лечения ожирения:

снижение усвояемости энергии рациона;
наполнение желудка и поддержание чувства насыщения;
удлинение времени опорожнения желудка;
изменение моторики тонкой кишки (время транзита химуса и его перемешиваемость);
изменение профиля рН внутрикишечного содержимого;
освобождение желудочно-кишечных гормонов;
изменение полостного пищеварения;
изменение всасывания в кишечнике;
нормализация липидно-углеводного обмена.

Пищевые волокна и аллергические реакции и псевдоаллергические синдромы

Механизм воздействия ПВ реализуется путем:

Прямого действия – абсорбция аллергенов из ЖКТ.

Опосредованное действие – изменение метаболической активности микрофлоры кишечника и снижение выработки биогенных аминов, в частности гистамина, а также повышение иммунорезистентности.

ПВ существенно снижают уровень эндогенного гистамина и других биологических аминов, которые реализуют аллергические проявления при болезнях пищеварительной системы.

Таким образом, с учетом многообразия действия пищевых волокон и их влияния на основные механизмы формирования заболеваний желудочно-кишечного тракта и других систем, доказана целесообразность их использования в клинической и профилактической медицине.

В настоящее время разработано много препаратов, имеющих в своем составе различные пищевые волокна.

Источник: Ардатская М.Д. Клиническое применение пищевых волокон: [метод. пособие] / М. Д. Ардатская. – М.: 4ТЕ Арт, 2010. – 48 с.

Дополнительно см.:

К РАЗДЕЛУ: ПИЩЕВЫЕ ВОЛОКНА

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

Обзор

В перспективе тканевая инженерия, если и не приведет к бессмертию, то уж точно сделает решение многих современных проблем медицины более чем реальным.

Автор

Редакторы

В последние десятилетия стали отчетливо проявляться тревожные тенденции старения населения, роста количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных. На рисунке 1 показано, как изменяется структура заболеваний в настоящее время.

Рисунок 1. Мировая динамика частоты заболеваний.

На сегодняшний день наука и техника предлагает несколько альтернативных путей восстановления или замены поврежденных или пораженных патологией тканей и органов:

трансплантацию;
имплантацию;
тканевую инженерию.

В рамках данной статьи мы подробнее остановимся на возможностях и перспективах тканевой инженерии.

Тканевая инженерия — современная инновационная технология

Принципиально новый подход — клеточная и тканевая инженерия — является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.

Цель тканевой инженерии — конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.

Важно отметить, что обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, — в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.

Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям:

способность к самовосстановлению;
способность поддерживать кровоснабжение;
способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.

Клетки и матриксы — основа основ для тканевой инженерии

Наиболее важным элементом успеха является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани организма и внутренние органы. Возможно использование соответствующих клеток от пациента, нуждающегося в реконструктивной терапии, или от близкого родственника (аутогенных клеток). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные (рис. 2) и стволовые клетки (рис. 3).

Рисунок 2. Первичная клетка человека.

библиотека Федерации Киокушинкай г. Южноуральска

Рисунок 3. Стволовая клетка человека.

Первичные клетки — это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться — их потенциал к размножению и росту низок. При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.

Поскольку первичные клетки не способны делиться и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.

Рисунок 4. Биокерамические изделия из ортофосфатов кальция.

Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток — матрикс, представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу (рис. 4). Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).

На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:

Отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток.
Разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов.
Нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования.
Непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).

Кровеносные сосуды из принтера

Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.

Давай, Россия, давай вперед!

Рисунок 6. Лауреат премии Президента РФ Екатерина Игоревна Шишацкая.

Первый опыт трансплантации тканеинженерной конструкции в клинике

Осенью 2008 года руководитель клиники Университета Барселоны (Испания) и Медицинской школы Ганновера (Германия) профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini; рис. 7) провел первую успешную операцию по трансплантации биоинженерного эквивалента трахеи пациентке со стенозом главного левого бронха на протяжении 3 см (рис. 8) [11].

В качестве матрикса будущего трансплантата был взят сегмент трупной трахеи длиной 7 см. Чтобы получить природную матрицу, по свойствам превосходящую все то, что можно сделать из полимерных трубок, трахею очистили от окружающей соединительной ткани, клеток донора и антигенов гистосовместимости. Очищение заключалось в 25 циклах девитализации с применением 4%-деоксихолата натрия и дезоксирибонуклеазы I (процесс занял 6 недель). После каждого цикла девитализации проводили гистологическое исследование ткани для выявления количества оставшихся ядросодержащих клеток, а также иммуногистохимическое исследование на наличие в ткани антигенов гистосовместимости HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ. Благодаря биореактору собственной разработки (рис. 9) ученые на поверхность медленно вращающегося отрезка трахеи равномерно нанесли шприцем суспензию клеток. Затем трансплантат, наполовину погруженный в среду для культивирования, вращался вокруг своей оси с целью попеременного контакта клеток со средой и воздухом.

Рисунок 8. Операция по пересадке пациентке трахеи.

Рисунок 9. Биореактор для создания тканеинженерного эквивалента трахеи. А — схема биореактора, вид с боку. Б — герметизация биореактора. В — биореактор с тканеинженерным эквивалентом трахеи in situ. Г — биореактор после удаления эквивалента трахеи. Д — вид эквивалента трахеи непосредственно перед операцией.

Эквивалент трахеи находился в биореакторе 96 часов; затем его трансплантировали пациентке. При операции был полностью удален главный левый бронх и участок трахеи, к которому он примыкал. В образовавшийся промежуток вшили трансплантат, а некоторое несоответствие диаметров просветов тканеинженерного эквивалента и бронха реципиента было преодолено благодаря эластичности донорской ткани.

По истечении десяти суток после операции пациентка была выписана из клиники без признаков дыхательной недостаточности и иммунной реакции отторжения трансплантата. По данным компьютерной томографии, с помощью которых была сделана виртуальная 3D реконструкция дыхательных путей, тканеинженерный эквивалент был практически неотличим от собственных бронхов пациентки (рис. 10).

Рисунок 10. Виртуальная 3D-реконструкция дыхательных путей по данным компьютерной томографии и бронхоскопии перед операцией (А, Б) и через 1 месяц и после замены стенозного участка левого главного бронха тканеинженерным эквивалентом (В, Г). Стрелкой указан стеноз.

Нетканые материалы нашли широкое применение в медицине, для изготовления лечебного белья, санитарно-гигиенических предметов, медицинской одежды, хирургических материалов (в том числе перевязочных средств).

Биологически активные волокна

В результате исследований удалось создать ряд специальных волокон, отличающихся биологической активностью. Такие нетканые материалы отличаются высокой устойчивостью к воздействию микроорганизмов.

Медицинские материалы на основе нетканов на 60% менее устойчивы к обсеменению микроорганизмами, чем материалы на основе хлопка и льна. Кроме того, нетканые материалы очень хорошо впитывают жидкости, что достигается структурной капиллярностью.

Одним из самых главных преимуществ нетканов является их доступность, дешевизна и сравнительная простота в изготовлении. Нетканое полотно пропитывается акрилатом меди, гексахлорофеном, антибиотиками, благодаря чему повышается уровень антибактериальной защиты. Повторные обработки проводятся при длительном использовании материалов.

Чтобы продлить срок службы материалов, целесообразно подбирать те из них, которые обладают повышенной биологической устойчивостью. Для медицины наибольший интерес представляют материалы, изготовленные иглопробивным способом. Такие нетканы могут быть изготовлены с разной плотностью, толщиной, размерами. Они могут быть как гидрофильными, так и гидрофобными, что значительно расширяет область их применения.

Живая ткань

Ферментативно активная и антимикробная поверхность нетканов обеспечивает быстрое заживление колотых и резаных ран. Нетканые материалы повышают свои антибактериальные свойства благодаря применению промышленных антибиотиков. Ферментативная активность обеспечивается посредством нанесения протеолитических ферментов. Благодаря введению в состав материала активированного угля на 50% повышаются сорбционные способности материала.

Такое полотно давно уже очень широко применяется в зарубежной медицине. Одним из наиболее распространенных материалов является спанлейс, который изготавливают посредством переплетения волокон под струями воды высокого давления. Термобонд, спанбонд и СМС изготавливаются из чистого полипропилена, волокна скрепляются точечной термофиксацией. Они отличаются устойчивостью к двойным изгибам, высокой эластичностью, стойкостью к воздействию кислот, органических растворителей, щелочей, гиппоалергенностью. Львиная часть этих материалов уходит на изготовление салфеток с пропиткой и без нее.

Читайте также: