Группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала гидрогель, который образует барьер, препятствующий прилипанию сердечной ткани к окружающим тканям после операции. Команда инженеров, ученых и врачей также провела пилотное исследование свиного сердца, дающее многообещающие результаты.
Они описывают свою работу в выпуске Nature Communications от 18 июня 2021 года.
У крыс гидрогель полностью предотвращал образование спаек. В небольшом пилотном исследовании у свиного сердца, обработанного гидрогелем, наблюдались менее серьезные спайки, которые было легче удалить. Кроме того, гидрогель не вызывает хронического воспаления.
Спайки – прилипание тканей органа к окружающим тканям – являются относительно распространенной проблемой, когда хирургу необходимо снова оперировать на том же месте, что происходит в 20 процентах случаев ежегодно в кардиохирургических операциях. Повторные операции особенно распространены, когда пациенты – дети, страдающие сердечными пороками – по мере роста сердца ребенка необходимы дополнительные вмешательства.
Спайки образуются в течение первых 30 дней после операции и могут осложнить операцию и увеличить риск смерти во время вмешательства. В некоторых случаях они также могут нарушить нормальную работу сердца или полностью предотвратить повторную операцию. Одна из ведущих авторов статьи, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Карен Кристман, испытала это, когда одному из ее дядей не удалось восстановить сердечный клапан из-за серьезных спаек.
«Наша работа – это инженерное решение, вызванное медицинской проблемой», – сказал Кристман, который стал соучредителем компании Karios Technologies, которая занимается внедрением гидрогеля в клинику. “И теперь он готов значительно улучшить кардиохирургию как для взрослых, так и для детей.”
В работе приняли участие не только биоинженеры и медики, но и химики и материаловеды.
В академических медицинских центрах, таких как Калифорнийский университет в Сан-Диего, большинство хирургов проводят повторные операции и довольно часто сталкиваются с спаечными процессами. В этом исследовании у крыс у 70 процентов животных в контрольной группе развились тяжелые спайки.
В настоящее время на рынке нет продуктов, одобренных FDA для предотвращения спаек после операций на сердце. «Этот продукт окажет значительное влияние на жизнь многих пациентов, которым потенциально могут потребоваться повторные операции на сердце или где-либо еще на теле», – сказал д-р. Майкл М. Мадани, председатель отделения сердечно-сосудистой и торакальной хирургии Калифорнийского университета в Сан-Диего и один из соавторов статьи.
Как это сделано
Напротив, гидрогель, разработанный биоинженерами в лаборатории Кристмана, разработан специально для удовлетворения потребностей как пациентов, так и хирургов. Его можно распылять, поэтому легко наносить. После распыления на ткань он связывается с сердечной мышцей и превращается в мягкое, эластичное покрытие, которое создает защитный барьер, но при этом позволяет двигаться. Гель легко удаляется с ткани и растворяется более чем через четыре-шесть недель.
Самой большой проблемой было убедиться, что гидрогель достаточно прочно прикрепляется к сердцу, но не набухает, поскольку отек может оказывать опасное давление на сердце. Кристман и его команда использовали так называемую химию сшивания, которая заключается в связывании двух молекул ковалентной связью. Масаки Фудзита, первый автор статьи и приглашенный ученый из отдела биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, придумал использовать соединение, известное как катехол, подобное тому, которое мидии используют для прилипания к камням, чтобы гарантировать, что гидрогель останется на месте на поверхности. сердце.
Катехол содержит аминокислоту L-допа, белок, связывающий мышцы. В данном случае к гелевой основе был добавлен водорастворимый полимер, известный как ПЭГ. В результате получается гидрогель, который прилипает к органу, на который его наносят, но затем создает защитный барьер, который сохраняется как минимум до четырех недель до растворения. К этому моменту вероятность образования спаек снижается. Насколько известно исследователям, это первый раз, когда состав этого типа был использован для предотвращения спаек после операции.
Распылительное устройство
Исследователи также разработали устройство для безопасного и точного распыления гидрогеля внутри области, где проводится операция на открытом сердце. Устройство содержит два основных компонента гидрогеля в двух разных камерах. Каждый компонент состоит из ПЭГ с разными реакционноспособными группами, которые сшиваются вместе, образуя гидрогель. Одно из решений также включает модифицированный катехолами ПЭГ, чтобы он оставался в сердце. На выходе из устройства они смешиваются, образуя гель. Этот процесс похож на использование двух баллончиков с краской, например синей и желтой, для создания третьего цвета, зеленого.
Следующие шаги и картина в целом
Следующим шагом будет крупномасштабное испытание на свиньях для уточнения дозировки и изучения того, как гидрогель связывается со швами и дренажами. Конечная цель – провести педиатрическое исследование на людях за период от 18 месяцев до двух лет и передать продукт на одобрение FDA через пять лет.
Karios Technologies лицензирует технологию у Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Нам нужны отзывы хирургов, – сказал Грегори, генеральный директор Karios Technologies. «Мы разработали этот материал специально для использования на сердце и простоты использования хирургом.”
По словам исследователей, эта технология может легко перейти на другие органы, которые также требуют нескольких операций и подвержены спаечному процессу.