Введение

В последнее время большое количество проводимых в мире научных исследований посвящено новому биологическому материалу — бактериальной целлюлозе (БЦ) и применению ее в биотехнологии. Опубликованы обзоры, включающие многие аспекты использования БЦ в промышленности (электронике, производстве косметике и одежды, изготовлении упаковок для пищевых продуктов), в биомедицине [1—3]. Количество исследований, посвященных использованию БЦ в составе композитных перевязочных материалов для ран, созданию новых медицинских изделий и медицинского текстиля существенно увеличилось в течение последних 5 лет [4—16].

Использование бактериальной целлюлозы для создания биомедицинских материалов

Бактериальная целлюлоза используется в различных биомедицинских направлениях уже не менее 20 лет [17, 18]. В первую очередь она нашла применение в хирургическом лечении раневых процессов кожи и мягких тканей. Однако одним из наиболее важных недостатков БЦ является отсутствие антимикробной активности, что существенно ограничивает ее применение в качестве активной повязки на рану и в других областях хирургии при развитии инфекционных осложнений [19]. Тем не менее с позиций применения в медицине БЦ важен ряд свойств, присущих этому материалу [20]. Отличительные особенности БЦ — влажность, растяжимость, пластичность, позволяющие подстраивается под форму задаваемой области. Именно поэтому большая часть исследований сосредоточены на применение БЦ в качестве заместительных материалов биологических структур или медицинских материалов, например при создании кондуитов кровеносных сосудов или катетеров [21, 22].

Так, L. Autier и соавт. разработали мембрану из БЦ, которую использовали в качестве каркаса для наложения на паренхиму головного мозга после резекции глиобластомы [23]. Благодаря высокой гибкости каркас из БЦ может быть легко введен в хирургическую резекционную полость глиобластомы. По утверждению авторов, волокнистая структура мембран из БЦ идеально подходит для улавливания опухолевых клеток, предотвращая их движение после прикрепления, что облегчает целенаправленное лечение и предотвращает рецидивы. Биосовместимость БЦ доказана отсутствием влияния на микроокружение головного мозга после имплантации мембраны из БЦ в паренхиму головного мозга. Кроме того, через 12 мес клетки головного мозга обнаружены на мембране из БЦ, что свидетельствует об отсутствии цитотоксичности БЦ по отношению к нормальным клеткам. Имеются публикации об экспериментальном использовании БЦ в качестве материала для пластики твердой мозговой оболочки [24, 25]. Показаны хорошие свойства биосовместимости БЦ, отсутствие иммунной и воспалительной реакции и нейротоксичности.

M. Ul-Islam и соавт. усилили свойства БЦ погружением в хитозан, затем ее лиофилизировали с формированием 3D-каркаса [26]. Взаимодействие клеток и каркаса анализировали с использованием клеточных линий рака яичников человека (A2780). Линии клеток рака яичников человека обнаружены на поверхности и в глубине матрикса каркаса. Включение хитозана значительно повысило вероятность биосовместимости БЦ, способствуя клеточной адгезии, пролиферации и дифференцировке тканей.

Y. Han и соавт. использовали композиты БЦ и поливинилового спирта для создания тканеинженерного эквивалента стромы роговицы. Трансплантация роговицы является наиболее распространенным методом лечения тяжелых заболеваний этого органа, но она ограниченна из-за нехватки доноров. Результаты экспериментальных исследований на кроликах не выявили негативных эффектов, например воспаления, а биосовместимость была хорошей [27].

Показано, что БЦ можно применять в качестве альтернативы амниотической мембране, доступность которой сильно ограниченна и зависит от донорской ткани. Мембрана из БЦ имеет более высокую устойчивость к швам, чем амниотическая мембрана, и хорошую конгруэнтность форме глаза. Никаких существенных изменений в диаметре или толщине, как установлено при визуальном наблюдении и измерении поверхностной массы, не было [28]. X. Zhang и соавт. изучали биосовместимость БЦ в качестве каркаса для замены стромы роговицы с использованием клеток эпителия роговицы кролика. Тесты in vitro показали почти 100% выживаемость, хорошую адгезию и пролиферацию эпителиальных и стромальных клеток на БЦ. Экспериментальные исследования подтвердили адекватную биосовместимость и стабильность БЦ в роговице кролика. Оптическая прозрачность БЦ сохранялась, и в течение 90 дней не было явного отека или воспаления вокруг БЦ [29].

В оториноларингологии на примере закрытия перфораций барабанной перепонки продемонстрировано, что трансплантаты из БЦ являются инновационными, эффективными, безопасными, минимально инвазивными материалами и имеют очень низкую стоимость [30, 31]. Публикация M. Pang и соавт. свидетельствует о том, что более плотная БЦ (спрессованность около 18%) является конкурентноспособным скелетным материалом для реконструкции и регенерации хрящевой и костной ткани наружного уха [32]. Материал соответствует упругим механическим свойствам человеческого хряща и может быть изготовлен по индивидуальной форме ушной раковины пациента. В то же время в работах L. Nimeskern и соавт. и H. Martínez Ávila и соавт. показано, что БЦ имеет отличную биосовместимость с хрящевыми и костными клетками in vivo и не препятствует процессу заживления [33, 34].

Разработано несколько методов, способствующих росту клеток в костных каркасах из БЦ с регулированием размера пор и их взаимосвязей во время синтеза БЦ [35, 36], а также на этапе постпроизводства с помощью лазерной аблации (лазерного паттернирования) [37], 3D-печати или лиофилизации [38].

Композитные каркасы для костной ткани, изготовленные Y.K. Noh и соавт., содержат в своем составе БЦ и коллаген [цит. по 39]. Композит с самым высоким содержанием БЦ показал наиболее организованную взаимосвязанную пористую структуру с улучшенной физической стабильностью и водопоглощением. Регенеративную способность имплантатов из БЦ оценивали с использованием стандартизированной модели штамповки бычьего хряща [40]. Хрящевые цилиндры-хозяева получены из блока бедренной кости крупного рогатого скота с использованием стандартизированной перфорационной системы, в которую вставлены имплантаты из БЦ. При исследовании имплантатов из БЦ наблюдалась прогрессирующая колонизация в сочетании с признаками миграции хондроцитов хряща хозяина. Такие результаты свидетельствуют о высокой цитосовместимости имплантата из БЦ в модели in vitro.

Несмотря на то что есть «золотой стандарт» материалов для изготовления сосудистых протезов большого и среднего диаметра, сохраняется потребность в разработке сосудистых протезов малого диаметра (<6 мм), особенно с длительной проходимостью [41—46]. Потенциал кондуитов кровеносных сосудов из БЦ изучен L. Bao и соавт. Сосуды изготавливали путем помещения одной силиконовой трубки внутрь другой полой стеклянной трубки. Затем полость между ними заполняли культуральной средой, содержащей бактерии. Кондуиты из БЦ обладали адекватной водопроницаемостью, низкой способностью к адгезии тромбоцитов, малым периодом рекальцификации плазмы и выраженной пролиферацией эндотелиальных клеток подвздошной артерии свиньи. Такие свойства предполагают лучший обмен питательных веществ, гемосовместимость и эндотелизацию после имплантации [47]. C. Weber и соавт. разработали BNC-слоистые трубки с уменьшенной толщиной стенок и гладкой поверхностью для небольших сосудистых трансплантатов, которые протестированы in vivo путем замены правой сонной артерии у овец. Показано отсутствие расслоения трансплантата даже спустя несколько месяцев и острых признаков реакции на инородное тело. Однако в связи с тромботической окклюзией трубок требовалось введение антитромбоцитарного препарата. Благодаря медикаментозной терапии проходимость увеличилась с 67% до 80% за 9 мес [48]. Возможность контролировать форму БЦ, изменяя ее во время культивирования или после очистки, расширила показания к применению этого материала в сосудистой хирургии и нейрохирургии, включая, в частности, протезы для реконструкции сосудов и каркасы трубки для регенерации периферических нервов [49—51].

Применение бактериальной целлюлозы в комбустиологии и хирургии ран

Все исследования по лечению ожоговых ран с помощью материалов на основе БЦ в настоящее время являются экспериментальными. Первые клинические исследования перевязочного материала из БЦ проведены в центре лечения ожоговых ран в Семяновице-Сленске (Республика Польша) [52, 53]. Целью исследования, выполненного W. Czaja и соавт., была оценка пригодности повязок для лечения ожоговых ран по трем основным направлениям: предотвращение потери жидкости из ожоговой раны, снижение микробной контаминации и подготовка к аутодермопластике. Исследуемая группа состояла из 77 пациентов в возрасте от 18 до 70 лет с ожогами кожи I, IIА, IIБ и III степени, занимающими от 9% до 20% общей поверхности тела. Повязки из БК были особенно эффективны при ожоговых ранах с повышенной экссудацией на фоне высокой температуры. Благодаря высокому содержанию жидкости они охлаждают место ожога и снимают болевые ощущения. В свежих неглубоких ожоговых ранах повязки из БЦ способствуют эпителизации, снижают риск инфицирования и потери жидкости, а при глубоких ожогах IIB и III степени способствуют удалению некротических тканей из раны [52]. Ускоренное заживление проявлялось и ранним изменением соотношения грамотрицательных и грамположительных штаммов [53].

В качестве повязки на ожоговую рану БЦ может обеспечить влажную и мягкую среду, что способствует заживлению раны [54]. В то же время ее сложно приклеить к ране, но легко заменить [55]. В работе F. Jabbari и соавт. показано, что более широкое применение БЦ в области регенерации ожоговых ран возможно за счет сочетания повязки на ее основе с различными лекарственными средствами, агентами, клетками и биомолекулами [56]. Показано, что сочетание повязки с антисептиками (нитратом серебра, сульфатом гидроксихинолина, борной кислотой и др.) оказывает положительное влияние на снижение инфекции ожоговой поверхности и других видов ран [53, 57—60]. В обзоре, выполненном J. Jankau и соавт. и посвященном использованию БЦ, показано, что материал обладает физиологическими и механическими свойствами, необходимыми для замены различных тканей, и может быть использован хирургами для моделирования каркасов ушных раковин, сосудистых структур, клапанов сердца, а также повязок для заживления ран [61].

X. Pan и соавт. считают, что повязка на основе БЦ при лечении ожоговых ран была эластичной и могла приспосабливаться к необходимым движениям пациентов, имела хорошие адгезивные свойства и идеально прилегала к раневому ложу, защищая рану от инфекций. Благодаря сетчатой структуре тонких волокон в сочетании с высокой способностью удерживать воду эти повязки могут поглощать экссудат и поддерживать влажность раны и обмен кислорода, ускоряя реэпителизацию ожоговых поверхностей [62]. В качестве повязки на ожоговые раны БЦ моделирует стерильную, удобную, защитную и достаточно влажную среду для чистых ожоговых ран, что ускоряет их заживление [63]. Кроме того, влажная БЦ хорошо поддается формованию, плотно прилегает к ране. Она более растяжима, однако менее устойчива к разрыву, чем лиофилизированная БЦ [64]. Хорошие результаты показали повязки с БЦ для закрытия донорского участка кожи при аутотрасплантации. Они были биосовместимыми, легко прикреплялись к ложу раны и оставались на месте до заживления донорского участка. В последующем повязки сами по себе легко отслаивались от эпителизированной кожи [65]. Новые композитные повязки на основе БЦ с антибактериальным, антисептическим и ранозаживляющим действием привлекают внимание исследователей при лечении ожоговых ран [66, 67].

Новым вариантом применения перевязочного материала на основе БЦ является лечение послеоперационных ран мочеполовой системы у мужчин, описанное F.O. Vilar и соавт. У пациентов не было осложнений, связанных с применением БЦ, таких как ишемия, инфекция или боль, что позволило сделать вывод о безопасности и эффективности перевязочных средств на основе БЦ [68]

Примером композитного материала, изученного Y. Qiu и соавт. in vivo в процессе заживления ран, является БЦ с добавлением ваккарина (БЦ-Вак). Эффективность композитного материала сравнивали со стандартными повязками (петролатумной марлей и повязками с наночастицами серебра). Главным преимуществом БЦ-Вак была повышенная гибкость, что облегчало практическое применение материала (смену повязок, моделирование в ране). Отмечено ускорение процесса заживления к 14-м суткам от начала лечения, что объяснялось образованием более активных фибробластов [69].

Известно, что вискозные повязки часто используются для лечения хронических язв нижних конечностей венозной этиологии. В исследованиях, выполненных J.D.P. de Amorim и соавт., показано, что в процессе ухода за ранами повязки из БЦ превосходят вискозные из-за низкой частоты смены, минимального прямого контакта с раневой поверхностью, меньшего риска загрязнения и вторичного инфицирования, большей автономии пациента и меньшей фиксации повязки к ране [70]. R. Meamar и соавт. показали, что более эффективное заживление инфицированных ран диабетической стопы по сравнению с контрольной группой достигнуто при использовании пластин из волокон БЦ, пропитанных венлафаксином и доксициклином [71].

R. Poonguzhali и соавт. приготовили биосовместимые композиты, включающие хитозан, поливинилпирролидон и БЦ. Оценены толщина композита, барьерные, механические свойства, свойства проницаемости для водяного пара и кислорода. Установлено, что композит способен поддерживать адекватную влажную среду над раной. Кроме того, показаны набухание композита, совместимость с кровью (менее 2% гемолиза) и умеренная антибактериальная активность в отношении золотистого стафилококка, синегнойной палочки. Цитотоксичность композита не превышала допустимый порог 70% при тестировании с использованием клеток нормальных эмбриональных фибробластов мыши [72].

Последние разработки по включению сульфатированных фукополисахаридов (фукоидана), содержащихся в бурых водорослях, в состав раневых покрытий на основе БЦ представляются перспективными. В экспериментальном исследовании Е.В. Зиновьева и соавт. применение 2%-го водного раствора фукоидана в повязках на основе БЦ толщиной от 0,5 мм до 1 мм и 1 мм и 2 мм на 14-й день обеспечило снижение площади раны на 54% (в контрольной группе на 47%) [66]. Группа исследователей из Санкт-Петербурга в 2020 г. предложила новый подход, позволяющий усовершенствовать свойства БЦ для медицинского применения. Чтобы сделать БЦ биоразлагаемой, а значит, перспективной для изготовления раневых покрытий, авторы использовали целлобиогидролазу. Включение этого фермента в состав покрытия оказалось безопасным, что подтверждено экспериментами на животных. Разрабатываемые раневые покрытия на основе БЦ с добавлением целлобиогидролазы положительно повлияли на лечение обширных ожогов III степени, значительно ускорив процесс заживления [73].

В экспериментальном исследовании, выполненном С.В. Черниговой и соавт., установлено, что при местном лечении ожоговых ран БЦ-покрытия следует использовать на первой стадии раневого процесса, так как благодаря наноструктурным свойствам они способны адсорбировать и удалять экссудат. При контакте с раневой поверхностью нанопокрытия плотно к ней прилегают, создавая оптимальные условия для заживления раны [74].

Заключение

Бактериальная целлюлоза — один из востребованных в мире биологических продуктов. Создание и применение композитных раневых покрытий на ее основе для лечения ран, в том числе длительно не заживающих, обусловленных артериальной или венозной недостаточностью, сахарным диабетом, а также трофических язв и глубоких ожогов кожи, является перспективной и эффективной технологией.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.