Обычно для лечения рака кости опухоли удаляют хирургическим путем, устанавливая на место пораженной ткани титановый имплантат. Затем пациентам проводят химиотерапию, чтобы предотвратить рецидив болезни. Однако прием сильнодействующих противоопухолевых препаратов приводит к большому количеству побочных эффектов: слабости, выпадению волос, нарушению работы пищеварительной системы, почек и сердца. Чтобы избежать этого, ученые создают костные имплантаты, которые бы не просто заместили утраченную ткань, но и доставляли бы лекарства напрямую в кость.
Исследователи из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) разработали покрытие для костных имплантатов, которое после протезирования медленно высвобождает противоопухолевый препарат в окружающие ткани.
За основу авторы взяли кальций-фосфатный цемент — пористый материал, по химическому составу очень близкий к естественной костной ткани, а потому биосовместимый. Его нанесли электрохимическим методом с ультразвуком на поверхность титановой пластины, которая имитировала используемый в клинической практике имплантат. После этого в пористое кальций-фосфатный покрытие «загрузили» раствор противоопухолевого препарата 5-фторурацила, который широко применяется для лечения онкологических заболеваний. Образцы высушили на воздухе, благодаря чему лишняя жидкость испарилась, а действующее вещество — 5-фторурацил — осело в порах кальций-фосфатного цемента.
Научный коллектив гранта РНФ. Источник: Екатерина Комарова
Затем исследователи нанесли еще один слой покрытия, который должен был предотвратить слишком быстрое высвобождение препарата из пор и тем самым обеспечить продолжительный эффект лечения. В качестве такого защитного слоя ученые выбрали синтетический биосовместимый и биоразлагаемый полимер из молекул молочной и гликолевой кислот. Такой материал удобен тем, что, попадая в организм, он медленно (от нескольких недель до нескольких месяцев в зависимости от соотношения кислот в составе) разлагается. Благодаря этому по мере его распада из нижележащего кальций-фосфатного слоя будет постепенно выделяться противоопухолевый препарат.
Скорость высвобождения препарата из покрытия исследователи оценили, поместив образец в раствор, имитирующий биологическую жидкость организма человека. Оказалось, что лекарство высвобождается из покрытия постепенно: по прошествии первых трех суток в раствор вышло 72% использованного препарата, а на пятый день — 100%. Для сравнения, образец, в котором не было защитного полимерного покрытия, «выпустил» все лекарство всего за 2–4 часа.
Микрофотография клеток, нанесенных на исследованное покрытие, спустя 24 часа эксперимента. Источник: Екатерина Комарова
Также авторы проверили, как полученные покрытия влияют на жизнеспособность опухолевых клеток и здоровых фибробластов — клеток соединительной ткани, которые часто окружают кости в организме человека. Оказалось, что спустя сутки пребывания на поверхности материала у всех клеток снизилась жизнеспособность. Так, покрытие с противоопухолевым препаратом привело к гибели 61% клеток рака шейки матки, 46% клеток рака молочной железы и 52% фибробластов. Причина такого неизбирательного токсического эффекта заключается в том, что само по себе лекарство, заключенное в покрытие, губительно для любых линий клеток. Именно поэтому его внутривенное введение в ходе обычной химиотерапии вызывает серьезные побочные эффекты. Если же доставлять 5-фторурацил точечно в костную ткань с помощью предложенного подхода, лекарство по-прежнему будет подавлять жизнедеятельность не только опухолевых, но и здоровых клеток, но его влияние на последние будет значительно меньше, чем при общем приеме химиопрепаратов.
«Мы предложили многообещающую стратегию создания костных имплантатов, с помощью которых можно локализовано и контролируемо доставлять лекарственные средства в костную ткань. Если вместо противоопухолевого препарата, протестированного нами, в покрытие "загрузить" другие лекарства, можно будет использовать их не только при лечении рака, но и в других сферах, например, в травматологии и зубном протезировании. В дальнейшем мы как раз планируем использовать другие препараты, например, антибиотики, а также модифицировать технологию их "загрузки", чтобы увеличить сроки выхода препарата в окружающие ткани до одного месяца — это позволит полностью исключить общий прием лекарств», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Комарова, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов Института физики прочности и материаловедения СО РАН.