Российские ученые сделали ставку на светящиеся водоросли и панцири крабов в биотехнологии заживления ран

Ученые МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» вышли на новый уровень в вопросе излечения различных ран на теле человека. Уникальный «пластырь» состоит из водорослей и спрятан в хитин, подобный тому, который носят крабы и креветки. Но этот хитин — не просто обертка. Его пришлось «приготовить» по-особому, чтобы сделать перевязку, которую нет необходимости проверять вплоть до 24 часов. Вообще у водоросли спирулины (вернее, ее компонента С-фикоцианина) и хитозана (сделанного чаще всего из панцирей ракообразных, но иногда в ход идут грибы и моллюски) разница в медицинский карьере около 150 лет. Так что в этом изобретении соединились не только старые и новые технологии — оно само по себе представляет собой «встречу» биохимии и биофизики.

С-фикоцианин и спирулина

Уже около 40 лет человечество активно использует спирулину в своих целях. Это сине-зеленая микроскопическая водоросль группы так называемых цианобактерий. Собственно, приставка циано- имеет греческие корни и значит «сине-зеленый». Многие могли о ней слышать, так как ее выращивают во всем мире в качестве пищевой добавки или отдельного продукта питания.

Ученые давно выяснили, что спирулина полезна для человеческого (и не только) организма. В ней много питательных веществ и они удивительно легко усваиваются. Высушенная спирулина состоит наполовину (а иногда и на ⅔) из белка. И это полноценный белок, который содержит все незаменимые аминокислоты. Хотя по содержанию метионина, цистеина и лизина этот белок уступает мясу, молоку и яйцам, но он превосходит другие растительные источники белка — сою и другие бобовые. А еще спирулина безопасна. Множественные наблюдения за животными, которые в нескольких поколениях питались синей зеленью в больших количествах, не показали ничего плохого. В 2009 году ее даже испытали на детях — 550 недоедающим малышам давали до 10 граммов ежедневно. Побочных эффектов не выявили. А вообще племена ацтеков в Мексике много веков назад поняли, что собранные с озера сине-зеленые водоросли можно высушить и есть.

Хотя, наверное, подобное пишут на каждой первой упаковке добавок на основе спирулины. Потому придется разобраться в ней на микроуровне, чтобы понять — просто приложить к ране бутерброд с водорослью не получится. Все несколько сложнее.

Спирулина это не просто водоросль, на самом деле это колонии цианобактерий. Чтобы разводить ее в «неволе», нужна вода, высокая температура и солнце. Это водоросли, которые выделяют кислород, а с помощью света «перерабатывают» углекислый газ в глюкозу или другие вещества. Что вообще делает ее такой уникальной и питательной? Отчасти это белок ярко-синего цвета С-фикоцианин (C-phycocyanin или C-PC, иногда — фикоцианин-С). На нем в организме бактерии выстроен механизм фотосинтеза. В каком-то смысле это ядро, определяющее суть спирулины. C-PC привлек внимание ученых благодаря своей исключительной способности проявлять активность по удалению радикалов, замедлять воспалительные процессы и снижать окислительный стресс. Уже доказано, что он обладает антимутативными, противомикробными, противоопухолевыми и ранозаживляющими свойствами. Белок поразительно активен в разных комбинациях условий, потому некоторые специалисты изучают, можно ли его применить в борьбе с ВИЧ или раковыми заболеваниями.

«Это вещество синтезируется цианобактерией и действует как любые растения с противовоспалительными свойствами — запускает восстанавливающие биохимические процессы. Но для его использования необходима правильная концентрация. Большое количество биологически активного вещества не всегда полезно: как говорил Парацельс, «все есть лекарство и все есть яд»», — считает директор ИНБИКСТ (Института нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных наук и технологий) МФТИ Тимофей Григорьев.

Дорогая чистота

Что нужно знать про С-фикоцианин и откуда он берется? Да, основной источник — спирулина. Однако, есть некий показатель содержания сине-зеленого белка в водорослевой массе. Например, не подвергавшиеся или почти не подвергавшиеся обработке водоросли имеют PI 0,5-1,5 и годятся для пищевых продуктов. С-фикоцианин с чистотой 1,5-2,5 пунктов PI годится для использования в косметике. С PI более 3,5 годится для биомедицинского применения, а 4,0 и выше — в аналитических и исследовательских целях.

Как повысить PI? Нужно разрушить клетки, чтобы высвободить из них сине-зеленый белок, «лишнюю» органику отфильтровать. Для этого применяют многостадийный процесс. Клетки разрушают ультразвуком или с помощью разных установок, или замораживают-размораживают несколько раз — охлаждают до температуры, не критичной для сине-зеленого белка, но губительного для остальной клетки. Затем остается лишь отделить ценное сырье от отходов в центрифуге.

Дело в том, что C-PC чистотой ~3,5 PI стоит около 150 евро за миллиграмм (и миллиграмма для нужд ученых критически мало). Сотрудники Курчатовского института и МФТИ закатали рукава и сами сделали из водорослей нужное количество фикоцианина — сперва это были три цикла замораживания/оттаивания в особой среде. Затем очищали сырье сульфатом аммония (многим эта аммонийная соль серной кислоты известна как удобрение). И на целую ночь оставили в установке для диализа, где водоросли «противостояли» небольшому встречному течению воды.

Повышение PI можно сравнить с обогащением руды — в нее ничего не добавляют (то есть буквально не обогащают чем-то), а отсеивают пустую породу. Но обогащенная руда становится дороже — в стоимость входят логистические траты, затраты на электроэнергию и сложное оборудование. Наши ученые смогли добиться индекса чистоты 3,36 и не разориться. После пары дополнительных процедур чистота вещества превысила необходимый порог 3,5 пунктов.

Кто проживает на дне океана?

Когда фикоцианин готов, дело осталось за малым. Если человечество пристально изучает белок C-PC около 10 лет, то хитозан известен уже около 150 лет. Правда, последние пару десятилетий опыты над ним участились.

Хитин является строительной основой для экзоскелетов таких беспозвоночных, как ракообразные и насекомые (и для некоторых грибов). Планктон и вообще биомасса океанов и морей ежегодно обновляет миллиарды тонн этого полимера. Разумеется, он биоразлагаемый, иначе пляжи были бы совсем не песчаными, а состояли бы из панцирей ракообразных. А хитозан — производная хитина. Грубо говоря, это хитин, «освобожденный» от армирующих его элементов — вещество более мягкое и податливое. В последние десятилетия хитин и хитозан интенсивно применяют в медицине,

ветеринарии, косметологии, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, биотехнологиях. По химической природе хитин близок к целлюлозе (клетчатке), но он более прочный, упругий и жесткий.

После того, как вещество для контейнера было найдено, пришло время по-особому «приготовить» его. Ученые нашли решение на стыке физики и химии. Они использовали сублимационную сушку, с помощью которой часто выделяют вещество из раствора (она работает путем замораживания материала, затем снижения давления и добавления тепла, чтобы лед в материале испарился, минуя жидкую фазу). При правильном режиме и чередовании условий жидкой, твердой и газообразной формы и разном давлении можно не просто испарить лед, а задать нужную структуру. По своей сути полимер — цепочки очень крупных молекул в матрице из воды. Если убрать ее, то останется органическая губка из хитозана. Она настолько пористая, что лишь на 2 % состоит из вещества. И почти весь остальной объем можно заполнить чем-то полезным. «Упаковка» готова.

Финал

Пожалуй, для абсолютно любых губок важны эти параметры — способность впитать что-либо и способность «отдать» впитанное. Хитозановые губки поставили некий рекорд — они смогли напитаться раствором полученного ранее С-фикоцианина на 90 % и выше (из возможных ~98 %). У прямых конкурентов изобретения — губок из крахмалов из различных ботанических источников и шариков фикоцианин-альгината — эти показатели лишь 67 % и 72 (и они считались прорывными еще совсем недавно).

Дальше ученые смоделировали работу губки с С-PC в области раны и были приятно удивлены. В зависимости от концентрации С-фикоцианина, губка отдавала его около половины в первые 1-2 часа после начала «работы». Следующие 5-7 часов концентрация заживляющего сине-зеленого белка оставалась на постоянном уровне, затем начинала незначительно спадать. Даже после 24 часов «работы» в губке оставалось от 20 до 50 % неизрасходованного вещества. Это позволит делать повязки, которые не будут нуждаться в замене целые сутки. Все это время С-PC будет проявлять свои антиоксидантные, ранозаживляющие, антимикробные и противовоспалительные свойства.

Губчатый «панцирь» и сине-зеленый белок за длительное время испытаний абсолютно никак не взаимодействовали между собой на химическом уровне. Интересно, что «морские» исходники подошли для этих целей куда лучше иных — человеческий организм зачастую воспринимает животный белок как враждебный. Но «ничего не имеет против» спирулины и хитина.

Ученые полагают, что это только начало целой новой эры исследований — С-фикоцианин сможет помочь с опухолями, мутациями, старением. Уже доказана его эффективность против раковых опухолей. Возможно, новая форма доставки лекарства в виде хитиновой губки откроет новые перспективы в этом направлении. Кто знает, может в обозримом будущем на очереди будет и победа над ВИЧ.

Источник