Кит Паркер, профессор семейной биологии и прикладной физики в SEAS и старший автор исследования заявил: «Как солдат в Афганистане, я был свидетелем ужасных ран, и временами процесс заживления этих ран был ужасом самим по себе. Это исследование – результат многолетней работы многих людей в моей команде, чтобы помочь в решении этих проблем».
В конце 1970-х годов, когда учёные впервые начали изучать процесс заживления ран на ранней стадии развития, они обнаружили нечто совершенно неожиданное: раны, нанесённые плоду до третьего триместра развития, вообще не оставляли шрамов. Это открыло ряд возможностей для регенеративной медицины. Но на протяжении десятилетий исследователи безуспешно пытались воспроизвести эти уникальные свойства кожи плода.
Дело в том, что в отличие от кожи взрослых, плод кожи имеет высокий уровень белка, называемого фибронектином, который собирается во внеклеточный матрикс и тем самым способствует связыванию клеток и их адгезии. Фибронектин имеет две структуры: глобулярную, которая в растворённом виде находится в крови, и волокнистую, которая находится в тканях. Хотя фиброзный фибронектин наиболее перспективен для заживления ран, предыдущие исследования были сосредоточены на глобулярной структуре, отчасти потому, что производство волокнистого фибронектина было серьёзным инженерным вызовом. Но поскольку Паркер и его команда являлись пионерами в области нанотехнологий, им удалось решить эту проблему.
Исследователи изготовили волокнистый фибронектин, используя платформу для производства волокон под названием Rotary Jet-Spinning (RJS), разработанную компанией Parker’s Disease Biophysics Group. RJS работает вроде машины для производства сахарной ваты — жидкий полимерный раствор, в данном случае глобулярный фибронектин, растворённый в растворителе, загружается в резервуар и выталкивается через крошечные отверстия центробежной силой при вращении устройства. Когда раствор выходит из резервуара, растворитель испаряется и полимеры затвердевают. Центробежная сила разворачивает глобулярный белок на небольшие тонкие волокна. Эти волокна — менее одного микрометра в диаметре — могут быть собраны для создания крупномасштабной раневой повязки.
При тестировании in vivo исследователи обнаружили, что раны, обработанные фибронектиновой повязкой, демонстрировали 84-процентную регенерацию тканей в течение 20 дней по сравнению с восстановлением на 55,6 процента в ранах, обработанных стандартной повязкой.
Исследователи также выяснили, что раны, обработанные фибронектиновой повязкой, близки к нормальной эпидермальной толщине и дермальной архитектуре, и даже содержат волосяные фолликулы — что считается одной из самых больших проблем в области заживления ран.
В другом исследовании, опубликованном в Advanced Healthcare Materials, группа Biophysics Disease продемонстрировала нановолокно на основе сои, которое также способствует заживлению ран.
Соевый белок содержит как эстрогеноподобные молекулы, которые, как было показано, ускоряют заживление ран, так и биоактивные молекулы, подобные тем, из которых состоят и клетки человеческого организма. Аналогично фибронектиновым волокнам, исследовательская группа применяла установку RJS для получения ультратонких соевых волокон для раневых повязок.
Оба вида повязок, по мнению учёных, имеют преимущества в области заживления ран. Соевые нановолокна, состоящие из ацетата целлюлозы и гидролизата соевого белка, являются недорогими в производстве, что делает их хорошим вариантом для крупномасштабного использования, например, при обширных ожогах. С другой стороны, фибронектиновые повязки можно использовать для небольших ран на лице и на руках, где важно предотвращение рубцевания ткани.