В мире, по данным ВОЗ, насчитывается около 45 млн слепых и около 135 млн людей с серьезными дефектами зрения. В Российской Федерации показатели слепоты и слабовидения достаточно высоки: в 2005 г. было зарегистрировано более 500 тыс. слабовидящих и слепых, из них до 18% приходится на пациентов с патологией роговицы. Однако существующая проблема дефицита трупных донорских роговиц на протяжении многих лет остается одной из наиболее сложных и актуальных в офтальмологии.

Тканевая инженерия — это междисциплинарная область, которая объединяет потенциал и методологию биологии и медицины с основами инженерных дисциплин. Клетки и матрицы являются основными объектами тканевой инженерии. Цель последней — конструирование вне организма живых функциональных компонентов, которые могут быть использованы для замены поврежденных тканевых структур. Хотя эта область считается относительно новой, первый документированный доклад об инжиниринге тканей появился в 1933 г., когда опухолевые клетки были помещены в полимерную мембрану и имплантированы свинье. Развитие тканевой инженерии за последнее десятилетие стало результатом нескольких различных факторов: расширения знаний и доступности стволовых клеток, геномики, протеомики, появления новых биоматериалов в качестве потенциальных шаблонов для выращивания тканей, совершенствования конструкций биореакторов для выращивания клеток in vitro, расширения понимания процессов заживления ран [1]. Используемый в тканевой инженерии междисциплинарный подход направлен в первую очередь на создание новых биоматериалов, в том числе в ведущих офтальмологических центрах разных стран мира проводятся исследования по поиску биоматериалов для создания биоинженерных конструкций искусственной роговицы [2—9].

Одним из элементов технологии создания биоинженерных конструкций является матрица, которая определяет механические свойства, форму имплантата, формирует субстрат для адгезии клеток. Механические свойства матрицы должны соответствовать механическим свойствам ткани организма-хозяина. Взаимосвязанная сеть пор необходима для того, чтобы обеспечить клеткам способность мигрировать по матриксу и способствовать росту ткани. В условиях культуры клеток in vitro и роста ткани сеть пор должна обеспечивать доставку компонентов среды ко всем клеткам, снабжая их необходимыми питательными веществами. Также матрица должна быть подвержена биодеградации, а продукты распада должны представлять нетоксичные субстанции и выводиться из организма. Скорость распада матрикса должна быть контролируемой и соответствовать скорости образования новой ткани в месте дефекта [1]. Являясь подложкой для прикрепления клеток, субстрат задает топологию фокальных адгезивных комплексов, инициируя каскад внутриклеточных сигналов, вызванных механическим напряжением клеточной мембраны [10]. Адгезия клеток приводит к кластеризации клеточных рецепторов и к активации экспрессии генов, вовлеченных в пролиферацию и дифференцировку [11]. Взаимодействие с субстратом определяет поляризацию клеток, изменение их морфологии, пространственную ориентацию компонентов цитоскелета, клеточных органелл и организацию внутриклеточного транспорта [10]. Регуляторные факторы субстрата влияют на репертуар синтезируемых клетками компонентов внеклеточного матрикса, являющихся, в свою очередь, источником сигналов, определяющих функциональное состояние клетки [12]. Таким образом, субстрат активно участвует в инструктировании клеточного морфотипа, фенотипа, межклеточных взаимодействий.

По данным ряда авторов [13—15], основными характеристиками биологически совместимых матриц для создания биоинженерных конструкций должны быть: отсутствие цитотоксичности, поддержание адгезии, фиксации, пролиферации и дифференцировки помещенных на ее поверхность клеток, отсутствие воспалительной реакции на материал и иммунного ответа, достаточная механическая прочность в соответствии с назначением, биорезорбируемость обычными метаболическими путями. Все необходимые свойства матрикса определяются свойствами исходного материала и технологией его переработки. Поэтому ключевой проблемой для успеха создания эффективных биоинженерных конструкций является наличие адекватного биодеградирующего и биосовместимого материала. В связи с тем что имплантируемый матрикс из биодеградируемого материала с функционирующими клетками действует как временный каркас, способствующий формированию зрелой ткани, использование биодеградируемых матриксов является предпочтительным. При использовании небиодеградируемых матриксов могут иметь место осложнения, связанные с длительным присутствием чужеродного материала.

В настоящее время для создания биоинженерных конструкций предпочтение отдается биополимерам и их производным, таким как волокна соединительной ткани (коллаген), хитозан, альгинат [16—19].

Коллаген, являющийся главным компонентом соединительной ткани и составляющий более 30% общей массы белков организма, принадлежит к числу наиболее хорошо изученных белков. Основными достоинствами коллагена являются отсутствие токсических и канцерогенных свойств, слабая антигенность, высокая механическая прочность и устойчивость к тканевым ферментам, а также способность образовывать комплексы с биологически активными веществами [20, 21]. Однако у коллагена есть и ряд недостатков в качестве субстрата для адгезии клеток. В зависимости от способа обработки матрицы на основе коллагена могут возникать изменения в поведении клеток, например изменения в росте или движении. Поскольку клетки легко взаимодействуют с коллагеном, это может приводить к реорганизации коллагеновых волокон, вызывая тем самым изменение формы матрицы [22, 23].

Хитозан получают из хитина, который присутствует в твердом экзоскелете моллюсков, креветок и крабов [24]. Хитин является одним из наиболее распространенных полисахаридов в природе, что делает хитозан относительно недорогим продуктом. Хитозан вызвал интерес в биоинженерной области из-за нескольких положительных свойств [25]: биоинертности, легкости обработки (в отличие от синтетических полимеров, хитозан растворим в водных растворах в зависимости от заданных значений рН), контролируемых механических свойств, например заданной пористости матрицы, наличия химических групп для взаимодействия с другими молекулами. Трудности с использованием хитозана как полимерной матрицы в биоинженерии заключаются в ее недостаточной прочности и появлении девиаций в поведении клеток [26].

Альгинат представляет собой полисахарид, полученный из бурых водорослей [27]. Он обладает такими свойствами, как биосовместимость и биоинертность, биодеградация и заданная пористость [28, 29]. Тем не менее у альгината есть недостатки, к которым относятся низкие механические свойства и недостаточная адгезия клеток [28].

Поскольку все вышеперечисленные биополимеры можно легко сочетать с другими биологическими или синтетическими материалами и тем самым увеличивать прочностные свойства и воздействовать на поведение клеток, было предложено огромное количество комбинированных матриц [30—38]. Однако ни одна из них не удовлетворяет в полной мере всем требованиям, предъявляемым к матрицам, а именно — прозрачности, заданной пористости, высокой прочности на разрыв и эластичности, биосовместимости, подверженности биодеградации, высокой адгезивности и биоинертности [13—15, 39], в связи с чем в настоящее время проводятся интенсивные исследования по поиску новых биоматериалов.

Одним из наиболее перспективных материалов для биоинженерии является шелк паутинной нити. Успехи в расшифровке генов, отвечающих за синтез специфических белков, и создание их синтетических аналогов позволили получить материал, подобный природному шелку, — спидроин [38]. Так, на сегодняшний день в клинической медицине в единичных работах описаны конструкции матриксов костной, хрящевой, нервной тканей на основе биополимера спидроина [39, 40]. Спидроин обладает выраженными механическими свойствами, высокой адгезивностью, биоинертностью, биосовместимостью, устойчивостью к условиям внешней среды, абсолютной прозрачностью, что делает его материалом выбора для создания 3D-матрицы искусственной роговицы.

Таким образом, проведенный нами анализ литературы позволил определить положительные и отрицательные качества биосинтетических материалов для создания биоинженерных конструкций матрицы искусственной роговицы.

В связи с тем что матрицы из коллагена, хитозана, альгината имеют ряд недостатков в качестве субстрата для адгезии клеток и низкие механические свойства, по нашему мнению, они являются менее пригодными для конструирования матрицы искусственной роговицы.

Нам представляется, что синтетический аналог белка паутинной нити спидроин благодаря своим уникальным свойствам является наиболее перспективным материалом для создания биоинженерной конструкции 3D-матрицы искусственной роговицы.