Паучий шелк давно ценят за его механические свойства. Он идеально сочетает прочность и эластичность: полученные волокна в несколько раз прочнее кевлара — материала, из которого делают бронежилеты. Поэтому паучий шелк можно использовать для изготовления материалов, которые должны выдерживать высокие нагрузки.

Кроме того, этот естественный материал обладает и другими полезными свойствами — он биоразлагаем и биосовместим. Эти характеристики делают его перспективным материалом для медицинских применений ― в частности, имплантологии и регенерации тканей. Например, уже есть работы, которые указывают на возможность создавать с помощью шелка паука искусственные мышцы. А добавление в него магнитных наночастиц позволит делать препараты для таргетной доставки лекарств.

Принцип следующий: в биологический препарат добавляют липосомы — микроскопические сферы, оболочка которых состоит из тех же молекул, что и у клеточных мембран. Эта схожесть позволяет липосомам беспрепятственно проникать внутрь биологической клетки. В липосомы помещаются лекарственные препараты, а сверху они покрываются слоем наночастиц. Частицы реагируют на внешнее воздействие ― лазерное или, в случае магнитных частиц, электромагнитное. Под этим воздействием частицы нагреваются и разрушают защитную оболочку липосом, обеспечивая тем самым высвобождение лекарства.

Что сделали ученые ИТМО

Исследователи Химико-биологического кластера ИТМО под руководством аспирантки Анастасии Крючковой разработали новый материал на основе шелка Linothele fallax, покрытого магнитными наночастицами, который в перспективе можно будет применять не только для таргетной доставки лекарств, но и при операциях по восстановлению поврежденных хрящевой и суставной тканей.

Деградация таких тканей — как из-за травм, так и естественного износа — одна из распространенных медицинских проблем. Помимо использования имплантации для ее решения также применяют микрофактуринг. При таких операциях в кости делается несколько маленьких отверстий, через которые место травмы заполняется стволовыми клетками костного мозга — они станут источником остеобластов, которые затем дифференцируются уже непосредственно в клетки костной ткани (остеоциты).

Чтобы кровь задерживалась в месте регенерации, его накрывают специальной мембраной. Иначе ее называют скаффолдом ― то есть направляющей конструкцией для роста новых клеток. Ученые ИТМО обратили внимание на то, что шелк паука по своим механическим свойствам может быть идеальным кандидатом на роль такого скаффолда. Биосовместимость паучьего шелка снижает риск отторгаемости, а его биоразлагаемость обеспечивает естественный вывод материала из организма после выполнения задачи.

Принцип работы разработанного материала

Под действием внешнего магнитного поля частицы нагреваются, при этом благодаря составу магнитных частиц можно очень тонко регулировать температуру. Контролируемый нагрев приводит к разрушению липосом и высвобождению лекарственных препаратов в зоне повреждения тканей, что обеспечивает таргетное воздействие. При этом сами волокна шелка дают направленный рост и выполняют поддерживающую функцию для клеток.

Для оценки биосовместимости разработанного материала в качестве модельных клеток для регенерации тканей использовали фибробласты. Это клетки кожи, синтезирующие коллаген, эластин, гиалуроновую кислоту и другие важные компоненты, которые играют важную роль в ремоделировании тканей. При использовании определенных факторов роста тканей и костных белков фибробласты можно перепрограммировать в хондроциты ― клетки хрящевой ткани.

Эксперименты in vitro показали, что волокна шелка паука, покрытые магнитными наночастицами, способствуют синтезу хрящевой ткани из клеток фибробластов, а контролируемая температура позволяет целенаправленно высвобождать лекарственное средство (те самые факторы роста и антибиотики для заживления места травмы) при воздействии переменного магнитного поля.

Что дальше 

Исследователи активно ведут переговоры о сотрудничестве с медицинскими организациями. Вместе с коллективом кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф Сеченовского Университета они планируют разработку имплантов на основе шелковых материалов для регенерации мениска коленного сустава.

Также ученые рассматривают вариант замены шелка паука на фиброин шелкопряда — это более доступный и масштабируемый материал. А скаффолды в дальнейшем будут изготавливаться уже с использованием 3D-биопечати:

«У нас в SCAMT активно развивается направления биопечати. В нашем исследовании мы формировали скаффолды вручную, теперь будем печатать их на биопринтере. Также мы будем смешивать шелк с другими компонентами для получения гидрогелей, которые можно будет использовать для различных технологий регенерации тканей», – заключает первый автор исследования, инженер химико-биологического кластера ИТМО Анастасия Крючкова.

Статья:  Anastasia Kryuchkova, Artemii Savin, Aleksandra Kiseleva, Marina Dukhinova, Elena Krivoshapkina, Pavel Krivoshapkin, Magnetothermal spider silk-based scaffolds for cartilage regeneration. International Journal of Biological Macromolecules, 2023.