Большинство этих экстрактов обладают антибактериальной и антимикробной активностью, что делает их подходящими для ухода за ранами. Важность присутствия антимикробных агентов в раневой повязке заключается в том, что они играют важную роль в контроле колонизации и последующего распространения микроорганизмов, что помогает ускорить процесс заживления ран. ^67,87–89 In vivo обработка мышей AgNPs, синтезированных с экстрактом листьев Catharanthus roseus , может успешно контролировать рост бактерий и грибков, ускорять закрытие раны и значительно уменьшать место раны. ⁹⁰ В дополнение к экстрактам, применяемым для зеленого синтеза AgNP, антибактериальный эндофитный гриб O. chinensis также был полезен в биосинтезе AgNP и лечил инфицированные раны, полученные на крысах Sprague Dawley. ⁷⁴ Он продуцировал хорошо стабилизированные AgNP и подавлял различные бактериальные штаммы, также метаболизируя специальные белки. Кроме того, он успешно ускорял процесс заживления ран, увеличивал скорость сокращения раны, полностью реэпителизировал эпидермис, минимизировал шрамы после периода лечения, минимизировал количество бактерий в инфицированном участке раны и снижал уровень провоспалительных цитокинов, фактора некроза опухоли альфа. (TNF-α), интерлейкин (IL) -1β и IL-6.

Другой параметр, которым можно управлять для ускорения процесса заживления ран, — это скорость синтеза коллагена. ⁷³ Первым шагом в синтезе коллагена является гидроксилирование пролина с образованием гидроксипролина. ⁹¹ Таким образом, содержание гидроксипролина является хорошим маркером отложения коллагена, что было определено в нескольких исследованиях по применению синтезированных зеленым методом AgNP. Фитосинтезированные AgNP с экстрактом кожуры плодов L. domesticum были эффективными в увеличении содержания гидроксипролина, маркера отложения коллагена, а также времени закрытия ран.Полная эпителизация с кератинизацией, а также разрастание волокнистой соединительной ткани также были результатом введения наночастиц. ⁷³ Уровень гидроксипролина и общих белков в начальной фазе заживления ран также увеличивался в присутствии биосинтезированных AgNP, что подтвердило влияние этих биосинтезированных наночастиц на клеточную гиперплазию и отложение матричных белков в грануляционных тканях. ⁷⁴ Гидрогель льняного семени был еще одним выбором для зеленого синтеза AgNP, обладая преимуществами увеличения процента закрытия раны, а также содержания коллагена в области раны. ⁶⁰

Cassia auriculata L.-опосредованные AgNPs были эффективны на моделях разрезанных и эксцизионных ран у крыс-альбиносов Wistar. Хотя ранозаживляющая активность Cas. auriculata , только экстракт Cas. auriculata AgNP продемонстрировали лучшую эффективность в процессе заживления ран, чем экстракт, а также мазь с повидон-йодом. Наночастицы также были более эффективны в усилении сокращения иссеченной раны. ⁹²

Прочность раны на разрыв — ключевой параметр, определяющий выработку неоколлагена, а качество и скорость регенерации тканей напрямую связаны с содержанием коллагена в ранах. ⁹³ Биосинтезированные AgNP могут многообещающе применяться для увеличения содержания коллагена и увеличения прочности ран. Введение L. domesticum- опосредованных и опосредованных льняным семенами AgNP животным увеличивало прочность на разрыв раны за счет организации коллагеновых волокон. ^60,73 Гуаровая камедь / AgNPs были другими фитосинтезированными препаратами, обладающими значительным влиянием на прочность на разрыв и модуляцию отложения коллагена в дополнение к регуляции кератиноцитов и ускорению основного процесса реэпителизации. ⁹⁴

В дополнение к вышеупомянутым наноструктурам, синтезированные в зеленом виде AgNP могут быть включены в / или покрыты обычными повязками, электропрядеными нановолокнами и нановолоконными мембранами. Это объединяет преимущества электропряденых наноструктур, AgNP и лекарственных растений. Экстракт плодов M. charantia использовали для получения AgNP путем биологического восстановления, а затем добавление PLA к AgNP вызывало стабилизацию частиц Ag и делало их способными к электропрядению. Было обнаружено, что электропряденые нановолокна обладают способностью заживлять раны, обладают высокой эффективностью против бактерий и высокой цитосовместимостью. Хотя только AgNP обладали антибактериальной активностью, присутствие экстракта M. charantia вызывало усиление противомикробной активности, а также снижение цитотоксической активности против фибробластов. ⁷⁷ AgNP, приготовленные с использованием экстрактов листьев Piper nigrum , были включены в мембрану PCL, и эта наноструктура оказалась очень многообещающей для подавления бактериальной колонизации в ранах. ⁹⁵

Синтезированные зеленым наночастицы диоксида титана, золота и оксида меди являются другими усилителями заживления ран, которые вызывают быстрое заживление ран и предотвращают / уменьшают инфекции и побочные эффекты после лечения. Наночастицы золота, синтезированные экстрактом корня Coleus forskohlii , значительно ускоряли реэпителизацию иссеченной раны, созданной на крысах, увеличивали образование соединительной ткани и способствовали скорости пролиферации и миграции эпидермальных клеток. ⁹⁶ Синтез наночастиц диоксида титана (TiNP) в присутствии экстракта листьев Moringa oleifera усиливал сокращение раны и уменьшал место иссечения раны у крыс-альбиносов. ⁹⁷ Аналогичные результаты наблюдались у крыс-альбиносов после обработки иссеченной раны биосинтезированными наночастицами оксида меди с использованием экстракта листьев Ficus Religiosa . Эти наноструктуры также обладают стойкой ингибирующей активностью против патогенных бактерий человека и эффективно увеличивают образование макрофагов, фибробластов и коллагеновых волокон. ⁹⁸

Включение натуральных продуктов в различные формы наночастиц для достижения контролируемой системы доставки к месту раны

Другой распространенный метод использования лекарственных растений для заживления ран включает их включение в различные формы наночастиц. В системах доставки лекарств критически важен контроль высвобождения лекарства в органе-мишени. В системах контролируемой доставки лекарств используется несколько форм биосовместимых носителей лекарств, включая наночастицы, наноэмульсии, наногидрогели, нанопленки и нанолипосомы.Эти системы способны уменьшать побочные эффекты и увеличивать эффективность различных терапевтических агентов за счет обеспечения устойчивой и контролируемой системы доставки, и они увеличивают скорость растворения лекарств в зависимости от характеристик их поверхности. ^99–105 Помимо преимуществ соединений на основе трав в процессе заживления ран, наноразмеры этих терапевтических средств или включение этих материалов в наночастицы дает возможность контролировать их доставку к пораженной стороне и может повысить их химическую активность. ¹⁰⁶ Например, наноразмеры частиц куркумина обеспечили хорошо регулируемую и устойчивую систему доставки и повысили их активность заживления ран за счет усиления антимикробного эффекта и ускорения образования гранулярных тканей и синтеза коллагена. ^99,107

Наноэмульсии — это наноструктуры, которые дают возможность наноразмерить различные эфирные масла. При нанесении наноэмульсий на поврежденные участки капли образуют пленку на поврежденных участках после испарения содержащейся в них воды.Эфирные масла растений привлекли большое внимание из-за высокого содержания в них биологически активных компонентов. ¹⁰⁸ Эфирное масло Eucalyptus globulus было наноразмерно методом наноэмульсификации, что повысило его антибактериальную активность. Высокая активность и ускоренное заживление ран можно объяснить существованием 45,4% 1,8-цинеола (эвкалиптола), который, как известно, является активным соединением, облегчающим проникновение в системы трансдермальной и местной доставки лекарств. ¹⁰⁹ Аналогичные результаты были получены в исследованиях in vitro и in vivo при применении наноэмульсий трагакантовой камеди, пропитанных экстрактом A. vera , что объясняется способностью A. vera модулировать протеазы. ¹¹⁰ Инкапсуляция активных компонентов лекарственных растений в наноэмульсии обеспечила новый подход к контролируемой доставке лекарств. Важным вопросом при местном применении липофильных препаратов для лечения ран является локализация этих ингредиентов в поверхностных слоях кожи.Инкапсуляция этих препаратов в наноэмульсии облегчает их проникновение в слои кожи и обеспечивает фазу диспергированных масляных капель для улучшения их растворимости. ^111–113

Наногидрогели представляют собой группу наноструктур для перевязки ран, которые предлагают дискретные преимущества высокой гибкости, высокой гидрофильности, высокой механической прочности, настраиваемой структуры и способности поглощать экссудат раны, а также проникать кислород и предотвращать обезвоживание раны. ^114,115 Благодаря своей пористой структуре они могут рассматриваться как еще одна многообещающая наноструктура для обеспечения устойчивой и контролируемой системы доставки в рану. ¹¹⁶ Ли и др. Приготовили липкий микро / наногидрогель из альгинатно-гуммиарабика. Адгезивные наногидрогели обладают способностью связываться с поврежденными тканями и могут успешно действовать как кровоостанавливающий агент и обеспечивать микросреду, способствующую пролиферации, дифференцировке и миграции клеток. ¹¹⁷ Как уже упоминалось, куркумин как активное растительное соединение страдает недостатком, заключающимся в низкой растворимости в воде и низкой биодоступности, что ограничивает его терапевтическое применение. Одним из многообещающих методов преодоления этого недостатка куркумина и других гидрофобных соединений является их включение в водные наноструктуры, такие как наногидрогели.Включение куркумина в гидрогели полиэтиленгликоля (PEG) -PCL и PEG-PCL-PEG улучшало растворимость и биодоступность препарата, ускоряло реэпителизацию раны и регулировало грануляцию тканей. ¹¹⁸

В дополнение к упомянутым препаратам, нанолипосомы можно рассматривать как наноструктуры, которые можно использовать для улучшения растворимости и эффективности слаборастворимых терапевтических средств на основе трав. Нанолипосомы (липосомы в нанометрических масштабах) представляют собой коллоидные структуры, состоящие из липидов и / или фосфолипидных бислоев, инкапсулирующих водные компартменты, и они обладают способностью улучшать биодоступность, вызывать устойчивую трансдермальную доставку различных лекарственных соединений и преодолевать возможную передозировку лекарствами токсичность. ^119,120 Модификация нанолипосом полимерами для дермальной доставки терапевтических средств способствует повышению проницаемости кожи и продлевает время удерживания. ПЭГ — один из полимеров, успешно используемых в сочетании с липосомами для улучшения доставки природных соединений через кожу. Захват куркумина в ПЭГ-нанолипосомах многообещающе продлил его противовоспалительную активность, повысил скорость проникновения в дермальные слои и ускорил закрытие ран. ^120,121

Клеточные и молекулярные механизмы, участвующие в потенциале заживления ран наноструктур на основе трав

Антиоксидантный стресс

Кислород является важным местным фактором, который имеет решающее значение для процесса заживления ран из-за его жизненно важной роли на различных этапах заживления ран, опосредуя ангиогенез, усиливая реэпителизацию и увеличивая синтез коллагена и разрастание фибробластов. ^122,123 Реактивные формы кислорода, такие как перекись водорода (H ₂ O ₂ ) и супероксид (O ₂ -), побочные продукты кислородного обмена в организме человека, являются важными регуляторами заживления ран. ^124,125 Для поддержания уровней свободных радикалов на желаемом уровне лекарственные растения являются многообещающим выбором из-за присущего им антиоксидантного потенциала, который является мощным средством регулирования ферментов СОД, глутатионпероксидазы и каталазы. Составы на основе трав, экстракты растений и эфирные масла, такие как куркумин, генистеин, целлюлоза (извлеченная из Citrus reticulate ), азиатикозид, экстракт Chromola enaodorata , Co.Экстракт корня forskohlii , масло черного тмина и масло зародышей пшеницы в перевязочных материалах подавляют окислительный стресс и проявляют антиоксидантную активность. ^{40,89,96,120,121} Куркумин известен как мощное антиоксидантное соединение, и наноразмеры этого соединения на основе трав могут быть достигнуты без какого-либо значительного изменения его внутренней антиоксидантной активности. Это было признано Ли и др., Которые наблюдали снижение антиоксидантной активности нанокуркумина, включенного в хитозановые / альгинатные гидрогели, менее чем на 1% по сравнению с немодифицированным куркумином (нативная форма). ¹¹⁹ Включение куркумина в перевязочные материалы для ран значительно снизило окислительный стресс раны за счет снижения уровня SOD. ¹¹⁸ В другом исследовании биоконъюгирование AgNP с помощью Cat. Экстракт листьев roseus вызывал сильную антиоксидантную активность, а не обычные AgNP, из-за присоединения функциональных групп Cat. roseus к наночастицам. ⁹⁰ Экстракты коры и листьев Fraxinus angustifolia показали антиоксидантную активность против индуцированного H ₂ O ₂ окислительного стресса как в исследованиях in vitro, так и in vivo, что было связано с высоким содержанием кверцетина и дубильных веществ. кислота, два из самых мощных антиоксидантов.Помимо этих результатов, была доказана способность этих экстрактов хелатировать ионы двухвалентного железа, что ингибировало их активность по превращению пероксидов в свободные радикалы. Их высокая хелатирующая активность может быть еще одной причиной их антиоксидантной способности в ткани раны. Более высокое клеточное поглощение наноформулированных образцов привело к более высокой антиоксидантной активности и лучшей функции заживления ран этих структур. ¹²⁶

Противовоспалительное действие

Воспаление участвует в первой стадии процесса заживления раны, который характеризуется миграцией лейкоцитов в рану и в основном начинается с агрегации тромбоцитов с последующей инфильтрацией лейкоцитов.Лейкоциты являются незаменимыми клеточными компонентами, участвующими в воспалительной реакции, которые также влияют на патогены, деградацию тканей и формирование тканей. ¹²⁷ Воспалительная реакция имеет решающее значение для процесса заживления, который управляет клеточными каскадами, связанными с заживлением ран, путем передачи фактора роста, а также сигналов цитокинов. ³ С другой стороны, при физиологической воспалительной реакции воспалительные клетки также могут оказывать профилактическое и ингибирующее действие против бактериальной инвазии и деградации дебриса. ¹²⁸

Инфильтрация клеток в месте раны происходит после инвазии моноцитов в ткань раны и их дифференцировки в макрофаги. Макрофаги могут обеспечивать несколько факторов роста и провоспалительных цитокинов, таких как IL-1α и IL-1β, TNF-α, фактор роста тромбоцитов (PDGF), TGF-α, фактор роста кератиноцитов и фактор роста эндотелия сосудов (VEGF). ¹²⁹ Стоит отметить, что воспаление может вызывать как благоприятные (привлечение элементов иммунной системы к месту повреждения, облегчение восстановления повреждений), так и деструктивные (нарушение функции ткани в течение длительной воспалительной фазы) эффекты при лечении различных заболеваний, ¹³⁰ , и поэтому контроль над воспалением очень важен.Основываясь на различных факторах роста и цитокинах, участвующих в нормальном и остром заживлении ран, следует прояснить механизм модуляции воспалительных процессов при заживлении ран для различных типов лекарств. Полифенольные соединения являются многообещающими кандидатами для регулирования и модификации воспалительных реакций. Было обнаружено, что они способны регулировать уровни TNF-α, интерферона-γ и различных типов IL. ^131,132 Куркумин, один из наиболее важных полифенолов, давно используется из-за его высокой активности по улавливанию радикалов и его способности уменьшать воспалительную реакцию, ингибировать NF-kB и подавлять TNF-α, COX2, LOX, NOS и ММП-9, каждый из которых играет важную роль в воспалительной фазе. ^46,133,134 В исследовании куркумин продемонстрировал эффективную пролечивающую активность против иссеченных ран у крыс, что было связано со снижением уровня TNF-α, повышением уровня IL-10 и повышающей регуляцией производства TGF-β1. . ⁴⁶ Противовоспалительная активность других растений, богатых полифенолами, таких как Fraxinus angustifolia , ¹²⁶ , подтвердила эффективность этой группы продуктов на основе трав на ранних стадиях заживления ран.

Биосинтезированные AgNP и загруженные растениями AgNP — это другие наноструктуры, обладающие внутренней противовоспалительной активностью.Нанокристаллы бамбуковой целлюлозы, пропитанные AgNP, вводили мышам, где они вызывали уменьшение воспаления за счет снижения уровня провоспалительных цитокинов IL-6 (который отвечает за стимулирование пролиферации фибробластов) и TNF. Высокий уровень этих двух цитокинов вызывает гипервоспаление и замедляет процесс заживления ран. ¹³⁵ AgNP, приготовленные с использованием экстракта корня Co. forskohlii , вызвали уменьшение количества нейтрофилов, макрофагов и других воспалительных клеток. ⁹⁶ Применение экстракта листьев B. laciniosa для получения AgNP привело к значительному снижению уровней провоспалительных цитокинов IL-6 и IL-10 и, следовательно, уменьшило воспаление и обеспечило заживление ран без рубцов. ⁸⁶

Неоваскуляризация и ангиогенез

После борьбы с воспалением, реэпителизацией и синтезом коллагена капиллярные ткани, называемые грануляционными тканями, образуются из-за роста капилляров и лимфатических сосудов из уже существующих сосудов в месте раны. ² Двумя наиболее важными стимулами для ангиогенеза являются фактор роста фибробластов (FGF) и VEGF. ¹²⁷ VEGF индуцирует заживление, помогая проницаемости сосудов, и предотвращает попадание воспалительных клеток в поврежденный участок, а также ускоряет пролиферацию и миграцию эндотелиальных клеток. ¹³⁶

Каркас трагакантовой камеди, содержащий куркумин, показал высокую эффективность в усилении ангиогенеза и формировании новых кровеносных сосудов. Куркумин может быть ответственным за усиление ангиогенеза. ¹³⁷ Ангиогенез может быть запущен синтезированными зеленым металлическими наночастицами. ¹³⁸ Помимо других эффектов куркумина на этапах заживления ран, наноразмерный куркумин вызывает усиление неоваскуляризации и ангиогенеза, что может быть связано с его влиянием на синтазу оксида азота. ¹⁰⁷ Наночастицы золота — важная группа, которая успешно запускает ангиогенез за счет дифференциальной регуляции факторов роста, таких как VEGF и экспрессия родственных белков. ^36,139,140 Синтезированные зеленым AuNP-депонированные гидроколлоидные мембраны продемонстрировали ускоряющий эффект на белки, связанные с ангиогенезом, за счет усиления экспрессии VEGF, Ang-1 и Ang-2. ¹²¹ Биосинтезированные наночастицы CuO (синтезированные с экстрактом листьев F. Religiosa ) и AgNP (синтезированные с гуаровой камедью и экстрактом кожуры плодов L. domesticum ) также оказались эффективными в усилении образования капиллярной крови, облегчении ангиогенеза и регуляции белков. . ^73,94,98

PDGF — еще один фактор роста, обладающий ингибирующим действием на микроокружение раны и регулирующий васкуляризацию раны. ¹⁴¹ Пропитка нанокристаллов бамбуковой целлюлозы образованием сосудистой сети AgNP индуцировала ангиогенез за счет интенсификации продукции VEGF и FGF ( P <0,05), а также увеличила уровень PDGF. ¹³⁵ Производство и накопление этих факторов роста может быть связано с высокой способностью приготовленной наноструктуры поглощать воду и хорошо регулировать содержание влаги в микроокружении раны, что увеличивает протеолитическую активность и способствует заживлению ран. ¹⁴²

Реэпителизация и регенерация ран

Синтез коллагена из клеток фибробластов является ключевым фактором гомеостаза, реэпителизации и регенерации процесса заживления ран. Основываясь на этом факте, была исследована возможная эффективная роль различных наноструктур на растительной основе в стимулировании синтеза коллагена. Эмодин действует как промотор синтеза коллагена и пролиферации фибробластов после инкапсуляции в волокнистые маты. ^25,26 Пажитник, Trigonella foenum-graecum , это трава, способная изменять физико-химические характеристики коллагена, и использовалась для приготовления материалов на основе коллагена. ⁸⁹ Включение пажитника в нановолокнистые маты из фиброина шелка было еще одним способом улучшить синтез и отложение коллагена из-за большого количества присутствующих в нем сапонинов и флавоноидов. ¹⁴³

Наноразмерный куркумин может успешно увеличивать отложение коллагена в грануляционной ткани, увеличивать миофибробласты и кровеносные сосуды в грануляционной ткани и формировании капилляров, а также усиливать сокращение ран на модели мышей. Это могло быть связано с тем, что наноструктура увеличивала биодоступность куркумина в месте раны и была сильной в абсорбции факторов роста и цитокинов. ¹¹⁹

Трагакантовая камедь вызывает более быструю регенерацию из-за более быстрого сигнального пути, который имитирует естественный ECM и вызывает абсорбцию фибробластных клеток слоем дермы. ¹³⁷ Этот биополимер содержит минеральные компоненты, а именно кальций (ключевой фактор миграции и регенерации эпидермальных клеток), действует как промотор в нормальном гомеостазе кожных клеток и успешно модулирует пролиферацию кератиноцитов. ¹⁴⁴ С другой стороны, магний эффективен в подвижности клеток фибробластов, а также кератиноцитов. ¹⁴⁵

Заключительные замечания

Раны — это серьезные нарушения, влияющие на качество жизни людей во всем мире. Эффективный и быстрый процесс заживления может снизить затраты и уменьшить количество госпитализаций, но получение идеального лекарства по-прежнему остается проблемой из-за сложности структуры кожной ткани. Несмотря на недавние достижения в области лечения ран и новых лекарств для заживления ран и регенерации кожи, традиционные методы, основанные на лечебных травах и естественных лечебных средствах, по-прежнему известны как многообещающие альтернативные лекарства из-за разнообразия активных компонентов, простоты доступа и их ограниченные побочные эффекты и низкая стоимость.В литературе есть несколько обзорных исследований, посвященных роли натуральных продуктов в качестве перевязочного материала. Некоторые из них проанализировали роль биоматериалов животного происхождения ^146–148 , а некоторые другие посвятили свое внимание биоматериалам растительного происхождения, но не в наноразмерных масштабах. ^{2 149 150} Потенциал этих природных продуктов был хорошо представлен в этих исследованиях. В недавнем обзоре Андреу и др. ¹⁰⁰ разъяснили эффективность соединений природного происхождения в сочетании с обычными повязками для ран.Они изучили современные методы приготовления наноструктурированной повязки на рану как из натуральных, так и из синтетических полимеров. Кроме того, в их исследовании была рассмотрена роль фитотерапии в лечении различных ран, в то время как исследуемые соединения не были в наномасштабе. В этом исследовании впервые были рассмотрены вопросы метода нанесения наноразмеров для натуральных соединений на основе трав, а также механистическая оценка существующих нанообразований на основе трав для перевязки ран.Фактически, этот обзор представил всестороннее исследование наноформований травяного происхождения для лечения ран как с инженерной, так и с механистической точки зрения, хотя в настоящее время в литературе нет аналогичной обзорной статьи. В таблицах S1 и S2 дается сводка по растениям и фитохимическим веществам растительного происхождения, которые помогают в процессе облегчения и заживления. В настоящее время, несмотря на преимущества натуральных продуктов при перевязке ран и заживлении ран, постоянно требуется совершенствовать разработку этих лекарственных средств.Появление и развитие нанонауки и технологий могло бы помочь повысить эффективность различных терапевтических средств, а также продуктов на основе трав. В последние годы наноструктуры и наноформы многообещающе преодолели недостатки обычных лекарств, обеспечили разумный процесс заживления, регулируют высвобождение терапевтических средств, уменьшают дозы, необходимые для заживления, и предоставляют уникальную возможность облегчить заживление даже хронических ран. Для получения наноструктур на растительной основе в присутствии или в отсутствие синтетических материалов уже давно используются различные методы нанообразования.Метод электроспининга успешно обеспечивает перевязку ран, которая включает в себя растительные соединения в качестве основного материала. Хорошо регулируемая пористость и сходство электропряденых нановолокон с тканью кожи в сочетании с рядом других преимуществ, таких как возможность включения различных типов материалов, делают их идеальной повязкой для лечения ран. Согласно обзору литературы, можно сделать вывод, что в настоящее время электропряденые нановолокна на растительной основе в основном способствуют адгезии, пролиферации и дифференцировке фибробластов и кератиноцитов.Это можно объяснить их способностью создавать идеальные микросреды благодаря пористой структуре и многообещающей проницаемости и удержанию влаги этих наноструктур на основе трав. Еще одним преимуществом этих наноструктур является возможность совместного электроспиннинга соединений на основе трав с другими биоматериалами, объединяя преимущества всех составляющих. Применение лекарственных растений и их экстрактов для формирования биосовместимых наночастиц на основе металлов экологически чистым и экономичным методом позволило получить группу наноструктур с превосходной антибактериальной и антимикробной активностью.Различные опосредованные растениями металлические наночастицы обладают способностью предотвращать бактериальную колонизацию, а также продлевать противовоспалительное действие. Согласно литературе

Влияние Nigella sativa и сульфадиазина серебра на заживление ожоговых ран у крыс

1 Veterinarni Medicina, 55, 2010 (12): Original Paper Влияние Nigella sativa и сульфадиазина серебра на заживление ожоговых ран у крыс I.Яман, А. Дурмус, С. Церибаси, Факультет ветеринарной медицины им. М. Ямана, Университет Фирата, Элазиг, Турция РЕФЕРАТ: Этот эксперимент был проведен для того, чтобы сравнить эффекты крема Nigella sativa (NS) и сульфадиазина серебра (SSD) на заживление ожогов. раны у крыс. Пятьдесят четыре взрослых крысы-самца линии Вистар-альбинос были разделены на три группы равного числа. У всех крыс образовался ожог. Обожженные участки в первой, второй и третьей группах покрывали ежедневным холодным кремом (контроль), кремом SSD и кремом NS (50% масло NS + 50% холодный крем) соответственно.Через четыре, девять и 14 дней крыс умерщвляли и собирали образцы обожженной ткани кожи для гистопатологического исследования. Гистопатологические исследования на 4-й, 9-й и 14-й дни показали, что заживление ожогов было лучше в группах NS и SSD по сравнению с контрольной группой. Заживление ран значимо различалось между группами на 4-й, 9-й и 14-й дни (P <0,001). В заключение следует отметить, что применение крема NS и SSD эффективно при заживлении ожоговых кожных ран на модели крыс.Ключевые слова: Nigella sativa; сульфадиазин серебра; сжечь; Крыса Сульфадиазин серебра (SSD) является предпочтительным местным средством при тяжелых ожогах и сегодня используется почти повсеместно, а не соединениям, таким как нитрат серебра и ацетат мафенида. Крем SSD, будучи эффективным, вызывает некоторые системные осложнения, включая нейтропению, мультиформную эритему, кристаллурию и метгемоглобинемию (Gracia, 2001; Gregory et al., 2002; Hosnuter et al., 2004). Nigella sativa (NS), однолетнее травянистое растение из семейства Ranunculaceae, на протяжении столетий традиционно использовалось на Ближнем Востоке, в Северной Африке, на Дальнем Востоке и в Азии для лечения различных заболеваний (Phillips, 1992).NS содержит 36- 38% жирного масла, белков, алкалоидов, сапонинов и% эфирного масла (Lautenbacher, 1997). Основными соединениями являются тимохинон (30–48%), п-цимен (7–15%), карвакрол (6–12%), 4-терпинеол (2–7%), т-анетол (14%) и сесквитерпен лонгифолен (1 8%) (Burits, Bucar, 2000). Некоторые фармакологические эффекты, например антибактериальные, противопаразитарные и противовоспалительные эффекты, приписываются NS или его активным соединениям, которые включают тимохинон, тимогидрохинон, дитимохинон, тимол, карвакрол, нигеллицин, нигеллимин-н-оксид, нигеллидин и альфа-хедрин (Randhawa -Гамди, 2002).Сообщается, что тимохинон предотвращает окислительное повреждение в различных исследованиях in vitro и in vivo на крысах (Daba and Abdel-Rahman, 1998; Mansour et al., 2001; Yaman and Balikci, 2010). Предполагается, что тимохинон действует как антиоксидант и, как сообщается, предотвращает перекисное окисление липидов мембран в тканях (Mansour et al., 2002). Эти эффекты, по-видимому, связаны с ингибированием генерации эйкозаноидов, а именно тромбоксана B2 и лейкотриенов B4 (путем ингибирования циклооксигеназы и 5-липооксигеназы, соответственно) и перекисного окисления липидов мембран (Hosseinzadeh et al., 2007). Варол (2008) предложил применение местного масла NS для ускорения заживления ран. Целью этого исследования было сравнить эффекты кремовой повязки NS и SSD на клиническую и гистологическую скорость заживления ожоговых ран кожи на модели крыс. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Все эксперименты в этом исследовании были выполнены в соответствии с руководящими принципами исследований на животных Национальных институтов здравоохранения и составили 619

2 Оригинальный документ Veterinarni Medicina, 55, 2010 (12): одобрен Комитетом по исследованиям на животных Университета Фирата, Элязыг, Турция.Химикаты. Масло NS (Copyright 2005 Origo Gıda Kimya Tarim Urn. San. Ve Tic. Ltd., г. Газиантеп, Турция; компания производит масло NS путем холодного отжима свежих семян без использования химикатов), крем SSD (Silverdin, Deva, Silver sulfadiazine , 10 мг / г) и холодный крем (Botafarma, 12,5% спермацетина + 12% белого воска + 56% жидкого парафина + 0,5% бората соды + 19% дистиллированной воды). Животные. В этом экспериментальном исследовании использовались пятьдесят четыре взрослых крысы-самца линии Wistar-альбинос весом около г и возрастом от шести до восьми месяцев.Крысы были поставлены отделением экспериментальных животных Университета Фирата в Элязыге, Турция. В том же помещении крыс содержали в пластиковых клетках в помещении с регулируемой температурой с 12-часовым циклом свет / темнота и кормили ad libitum кормом для грызунов. Крысы имели свободный доступ к воде на протяжении всего эксперимента. Анестезия. Крыс анестезировали однократными внутримышечными инъекциями 6 мг / кг гидрохлорида ксилазина (Rompun, Bayer, мг / мл) и 85 мг / кг гидрохлорида кетамина (Ketalar, Parke-Davis, 50 мг / мл).Термическая травма. Крыс анестезировали, спины брили и готовили 10% -ным раствором антисептика повидон-йода (Kim-Pa, Повиодекс, 10% повидон-йод) и создавали ожоговые области диаметром 1 см. Ожоги кожи были созданы, как описано Durmus et al. (2009), Хан и др. (2005) и Hosnuter et al. (2004). Животных подвергали полному ожогу кожи второй степени с диаметром поверхности 1 см латунными зондами. Латунный зонд погружали в кипящую (100 ° C) воду до достижения теплового равновесия.Затем зонд помещали на спину крыс на 20 с без приложения давления. Всех животных немедленно реанимировали с помощью интраперитонеального введения раствора Рингера с лактатом (2 мл / 100 г массы тела). Эксперименты на животных. Крыс случайным образом разделили на три равные группы по восемнадцать животных в каждой: 1. Контрольная группа: сразу после ожога области ожогов покрывали холодным кремом дважды в день в течение 14 дней. 2. Группа SSD: Сразу после ожога участки ожога покрывали кремом SSD дважды в день в течение 14 дней.3. Группа NS: Сразу после ожога места ожогов покрывали 50% маслом NS + 50% холодным кремом дважды в день в течение 14 дней. Ранения клинически наблюдались во всех группах ежедневно. Через четыре, девять и 14 дней крыс умерщвляли после анестезии. Гистопатологическое исследование. Образцы обожженной ткани кожи были собраны после умерщвления крыс для целей гистопатологического исследования. Эти образцы ткани фиксировали в 10% растворе формалина с нейтральным буфером, заливали парафиновым воском, разрезали на срезы толщиной 5 мкм и окрашивали гематоксилен-эозином и красителем трихромом Массона для исследования с помощью световой микроскопии.Статистический анализ. Толщину грануляционной ткани исследовали в центре каждой раны и записывали. Данные были выражены как среднее значение ± стандартная ошибка (SEM). Различия между средними значениями групп и между четвертым, девятым и 14-м днями оценивались с использованием одностороннего дисперсионного анализа (ANOVA), а для множественных сравнений выполнялся тест Дункана с использованием SPSS 12.0 для Windows. Результаты считались статистически значимыми при P <РЕЗУЛЬТАТЫ. Во время исследования у животных не наблюдалось смертности.Раны в контрольной группе демонстрировали большую степень воспаления на основании трех клинических признаков воспалительного процесса: тепла, покраснения и отека, которые, по-видимому, уменьшились в ранах, обработанных NS и SSD. Гистопатологические исследования на четвертый, девятый и 14 день показали, что заживление ожогов было лучше в группах NS и SSD по сравнению с контрольной группой (Рисунок 1). Толщина (см) грануляционной ткани 9-й день 14-й день C SSD NS 1,92 Рисунок 1. Сравнение толщины (см) грануляционной ткани в центре раны в экспериментальных группах на 4-й, 9-й и 14 дней 620

3 Veterinarni Medicina, 55, 2010 (12): Original Paper Струп, образованный остатками некротических тканей и инфильтрацией мононуклеарных клеток, присутствовал во всех группах на 4-й день испытания.Также наблюдались попытки регенерации и репарации в эпидермальном слое. Под коркой отмечена инфильтрация воспалительных клеток без эпителиального слоя. Сосуды в дерме были гиперемическими, и ни в одной из групп не было волосяных фолликулов, сальных или потовых желез (рис. 2). Струп сохранялся во всех группах до 9 дня, но был тоньше в группе NS. Эпителиальный слой частично сформировался к тому же дню, и регенеративные и репаративные попытки в эпидермальном слое значительно улучшились по сравнению с 4-м днем ​​испытания.Фиброз дермы достиг уровня подкожной ткани (рис. 3). К 14-му дню испытания струп отпал во всех группах, и наблюдали, что эпидермис полностью развился. Однако эпителиальный слой в группе NS имел лучший внешний вид по сравнению с контрольной группой и группами SSD. Также грануляционная ткань в дерме в группе NS. Рис. 2. Микроскопический вид обожженной кожи на 4-й день. А = контрольная группа; B = группа SSD; C = группа Nigella sativa (H&E, 40) Рисунок 3.Обожженная кожа под микроскопом на 9-е сутки. А = контрольная группа; B = группа SSD; C = группа Nigella sativa (H&E, 40) 621

4 Original Paper Veterinarni Medicina, 55, 2010 (12): Таблица 1. Толщина (см) грануляционной ткани в центре раны (n = 18). Дни Группы C SSD NS ± 0,15 а.к. 0,39 ± 0,05 ab 0,40 ± 0,04 ab ± 0,66 ba 1,06 ± 0,06 bb 1,48 ± 0.06 bc ± 0,11 ca 1,24 ± 0,02 cb 1,92 ± 0,02 cc Значения abc в одном столбце с разными верхними индексами значительно различаются (P <0,001) Значения ABC в одном ряду с разными верхними индексами значительно различаются (P <0,001) ткани в центр ран для NS, SSD и контроля показан в таблице 1. ОБСУЖДЕНИЕ Рисунок 4. Микроскопический вид обожженной кожи на 14-е сутки. А = контрольная группа; B = группа SSD; C = Группа Nigella sativa (H&E, 40) была в лучшем состоянии по сравнению с другими группами (Рисунок 4).Заживление ран значительно различалось между группами через четыре, девять и 14 дней (P <0,001). На 4-й день исследования толщина грануляционной ткани была практически одинаковой в группах SSD и NS, но статистически различалась в контрольной группе (P <0,001). На 9-й и 14-й дни исследования толщина грануляционной ткани достоверно различалась во всех группах (P <0,001). Средние значения толщины грануляции. Заживление раны включает в себя каскад событий, характеризующийся завершением биологических процессов в определенном порядке и в определенных временных рамках.Эти события представляют собой реструктуризацию поврежденной ткани в попытке восстановить как можно более нормальное состояние. Естественная реакция живого организма заключается в заживлении ран в кратчайшие сроки и в восстановлении нормального континуума структур (Nayak et al., 2006). Разные подопытные животные, такие как свинья (Mekkes et al., 1998), морская свинка (Eldad et al, 1998; Webster et al., 1962) и крыса (Hosnuter et al., 2004; Han et al., 2005), использовались в различных исследованиях.Используемая здесь модель проста и воспроизводима. Модель заживления ожоговых ран обеспечивает in vivo подход к изучению заживления ожоговых ран у домашних животных. К местным средствам, обладающим преимуществами только как противомикробные средства, относятся нитрат серебра, сульфамилон и комбинация сульфонамида и SSD. Сульфамилон обладает широким спектром действия и, поскольку он легко всасывается системно, он может вызывать токсические осложнения. В результате SSD стал стандартным местным методом лечения ожоговых ран (Gracia, 2001).Соответственно, в нашем исследовании мы выбрали SSD. Растения использовались в качестве лечебных средств с древних времен (Jones, 1996). Недавно были зарегистрированы многие терапевтические эффекты экстрактов NS, включая антиоксидантное (Burits and Bucar, 2000; Yaman and Balikci, 2010), противомикробное, антигельминтное (Agarwal et al., 1979), противовоспалительное 622

5 Veterinarni Medicina, 55, 2010 (12): Оригинальная статья (Houghton et al., 1995), противоопухолевый (Worthen et al., 1998), антидиабетический (Meral et al., 2001) и противояльцерогенный (Akhtar et al., 1996) эффекты как в клинических, так и в экспериментальных исследованиях. В этом исследовании мы стремились сравнительно проанализировать влияние NS и SSD на заживление ран на модели ожоговой раны. В исследовании, посвященном изучению влияния NS на заживление ран у крыс, было обнаружено, что масло NS излечивает рану за значительно более короткий период (Varol, 2008). Поскольку мазь, наносимая на рану, была противомикробной, риск инфицирования раны был снижен до минимума (Varol, 2008).Точно так же в этом исследовании не было никаких признаков макроскопических или микроскопических инфекций. Мы интерпретируем эти результаты как означающие, что положительное влияние NS на заживление ран может быть связано с его противовоспалительными, антиоксидантными и антибактериальными свойствами. В некоторых исследованиях сообщалось, что антимикробные свойства ускоряют заживление ран (Nayak et al., 2006). В исследовании Mashhadian и Rakhshandeh (2005) сообщалось, что семена NS являются эффективными против стандартных и внутрибольничных микроорганизмов, таких как Candida albicans, Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa.В исследовании, посвященном изучению антибактериального действия масла NS на 24 бактериальных организма (Arici et al., 2005), было обнаружено, что причиной антибактериального действия являются соединения тимохинона, п-цимола и карвакрола, содержащиеся в масле. В исследовании антидерматофитного действия NS (Aljabre et al., 2005) было показано, что растение подавляет рост восьми разновидностей дерматофитов in vitro. Это указывает на то, что NS можно использовать в качестве антидерматофитного средства при лечении грибковых инфекций кожи. Свободные радикалы действуют на важные компоненты клетки, такие как липиды, белки, углеводы и ДНК, что приводит к повреждению и гибели клеток.Свободные радикалы играют роль в патогенезе сахарного диабета, рака и старения и оказывают неблагоприятное воздействие на заживление ран, грануляционную ткань, а также коллаген и хрящевые ткани (Keskin et al., 1999). Повреждение кожи приводит к выработке активных форм кислорода, а также к снижению различных ферментативных и неферментативных поглотителей свободных радикалов, что, таким образом, препятствует процессу заживления (Serarslan et al., 2007). Антиоксидантные ферменты, такие как супероксиддисмутаза (SOD), глутатионпероксидаза (GSH-Px) и каталаза (CAT), расщепляют свободные радикалы, ускоряя заживление ран.В исследовании Kanter et al. (2006), лечение маслом NS снижало уровень малонового диальдегида (MDA) и карбонила белка в тканях, предотвращая при этом ингибирование ферментов SOD, глутатионпероксидазы (GSH-Px) и каталазы (CAT). В заключении; на модели ожоговой раны у крыс было обнаружено, что NS сокращает процесс заживления как гистопатологически, так и статистически по сравнению с SSD и контрольной группой. Благодаря своим антимикробным, антиоксидантным, противовоспалительным и иммуномодулирующим эффектам NS может в будущем использоваться в качестве дополнительного или альтернативного средства к существующим методам лечения ран.Однако, безусловно, необходимы дальнейшие исследования, чтобы пролить больше света на механизм исцеления NS. Ссылки Agarwal R, Kharya MD, Shrivastava R (1979): Антимикробная и антигельминтная активность эфирного масла Nigella sativa Linn. Индийский журнал экспериментальной биологии 17, Ахтар А.Х., Ахмед К.Д., Гилани С.Н., Назир А. (1996): Противоязвенные эффекты водного экстракта Nigella sativa и Pongamia pinnata у крыс. Fitoterapia 3, Aljabre SHM, Randhawa MA, Akhtar N, Alakloby OM, Alqurashi AM, Aldossary A (2005): Антидерматофитная активность эфирного экстракта Nigella sativa и его активного начала, тимохинона.Journal of Ethnopharmacology 101, Arici M, Sagdic O, Gecgel U (2005): Антибактериальный эффект масел турецкого черного тмина (Nigella sativa L.). Grasasy Aceites 56, Burits M, Bucar F (2000): Антиоксидантная активность эфирного масла Nigella sativa. Phytotherapy Research 14, Daba MH, Abdel-Rahman MS (1998): Гепатопротекторная активность тимохинона в изолированных гепатоцитах крысы. Toxicology Letters 95, Durmus AS, Han MC, Yaman I (2009): Совместная оценка коллагеназы и сульфадиазина серебра при заживлении ожоговых ран у крыс.Firat Universitesi Saglik Bilimleri Veteriner Dergisi 23, Eldad A, Weinberg A, Breiterman S, Chaouat M, Palanker D, Ben-Bassat H (1998): Раннее нехирургическое удаление химически поврежденной ткани улучшает заживление ран при частичных ожогах. Burns 24, Gracia CG (2001): открытое исследование, в котором сравнивали местный сульфадиазин серебра и местный сульфадиазин-церий нитрат серебра при лечении умеренных и тяжелых ожогов. Burns 27, Gregory RS, Piccolo N, Piccolo MT, Piccolo MS, Heggers JP (2002): Сравнение крема для кожи с прополисом и сульфадиазином серебра: натуропатическая альтернатива антибиотикам при лечении легких ожогов.Журнал альтернативной и дополнительной медицины 8,

6 Original Paper Veterinarni Medicina, 55, 2010 (12): Han MC, Durmus AS, Karabulut E, Yaman I (2005): Влияние турецкого прополиса и сульфадиазина серебра на заживление ожоговых ран у крыс. Revue de Medecine Veterinaire 156, Hosnuter M, Gurel A, Babuccu O, Armutcu F, Kargi E, Isikdemir A (2004): Влияние CAPE на перекисное окисление липидов и уровни оксида азота в плазме крыс после термического повреждения.Burns 30, Hosseinzadeh H, Parvardeh S, Asl MN, Sadeghnia HR, Ziaee T (2007): Влияние тимохинона и масла семян Nigella sativa на уровень перекисного окисления липидов во время реперфузионного повреждения ишемии головного мозга в гиппокампе крыс. Phytomedicine 14, Houghton PJ, Zarka R, de la Heras B, Hoult JRS (1995): Фиксированное масло Nigella sativa и производное тимохинона ингибируют образование эйкозаноидов в лейкоцитах и ​​перекисное окисление мембранных липидов. Planta Medica 61, Jones FA (1996): Полезные для растений растения. Их роль в истории и сегодня.Европейский журнал гастроэнтерологии и гепатологии 8, Кантер М., Коскун О., Калайчи М., Бююкбас С., Кагави Ф (2006): Нейропротективные эффекты Nigella sativa при экспериментальном повреждении спинного мозга у крыс. Человек и экспериментальная токсикология 25, Кескин Д., Карсан О., Эзирмик Н., Чифтчиоглу А. (1999): Влияние альфа-токоферола на заживление переломов у кроликов (на турецком языке). Турецкий журнал артропластики 10, Lautenbacher LM (1997): Schwarzkummelol. Deutsche Apotheker Zeitung 137, Mansour MA, Ginawi OT, El-Hadiyah T., El-Khatib AS, Al-Shabanah OA, Al-Sawaf HA (2001): Влияние летучих масляных компонентов Nigella sativa на гепатотоксичность, вызванную тетрахлорметаном, у мышей: доказательства антиоксидантного действия тимохинона.Research Communications in Molecular Patology and Pharmacology 110, Mansour MA, Nagi MN, El-Khatib AS, Al-Bekairi AM (2002) Влияние тимохинона на активность антиоксидантных ферментов, перекисное окисление липидов и DT-диафоразу в различных тканях мышей: возможный механизм действия. Биохимия и функция клетки 20, Машхадиан Н.В., Рахшандех Х (2005): Антибактериальные и противогрибковые эффекты экстрактов Nigella sativa против S. aureus, P. aeroginosa и C. albicans. Пакистанский журнал медицинских наук 21, Меккес Дж. Р., Ле Пул С., Дас П. К., Бос Дж. Д., Вестерхоф В. (1998): Эффективная обработка некротических ран с использованием протеолитических ферментов, полученных из антарктического криля: двойное слепое плацебо-контролируемое исследование на стандартизированном животном модель раны.Восстановление и регенерация ран 6, Мерал I, Йенер З., Кахраман Т., Мерт Н. (2001): Эффект Nigella sativa на концентрацию глюкозы, перекисное окисление липидов, систему антиоксидантной защиты и повреждение печени у экспериментально индуцированных диабетических кроликов. Журнал ветеринарной медицины Series A Physiology Patology Clinical Medicine 48, Nayak S, Nalabothu P, Sandiford S, Bhogadi V, Adogwa A (2006): Оценка ранозаживляющей активности Allamanda cathartica L. и Laurus nobilis. L. Экстракты на крысах. BMC Дополнительная и альтернативная медицина 6, 12.Филлипс Дж. Д. (1992): Лекарственные растения. Биолог 39, Randhawa MA, Al-Ghamdi MS (2002): обзор фармакотерапевтических эффектов Nigella sativa. Пакистанский журнал медицинских исследований 41, Серарслан Г., Алтуг М.Э., Контас Т. (2007): Влияние фенэтилового эфира кофейной кислоты на перекисное окисление липидов в плазме, антиоксидантный статус и уровни оксида азота в модели послеоперационной раны (на турецком языке). Turkderm Dergisi 41, Varol Y (2008): Исследование влияния масла Nigella Sativa на заживление кожных ран у крыс.[Тезис]. T.C. Marmara Universitesi Saglik Bilimleri Enstitusu, Стамбул. Webster ME, Altieri PL, Conklin DA, Berman S, Lowenthal JP, Gochenour RB (1962): Ферментативная обработка ожогов третьей степени у морских свинок протеиназами Clostridium histolyticum. Journal of Bacteriology 83, Worthen DR, Ghosheh OA, Crooks PA (1998): Противоопухолевая активность некоторых сырых и очищенных компонентов черного семени in vitro, Nigella sativa L. Anticancer Research 18, Yaman I, Balikci E (2010): Защитные эффекты nigella sativa против нефротоксичности, вызванной гентамицином, у крыс.Экспериментальная и токсикологическая патология 62, получено: принято после исправлений: Автор для переписки: доктор Ихсан Яман, Университет Фирата, кафедра животноводства, профессиональный колледж Сиврис, 23119, Элазиг, Турция Тел., Факс, 624

Frontiers | Биоматериалы и нанотерапевтические средства для улучшения заживления кожных ран

Введение

Кожные травмы являются универсальным аспектом медицинской помощи, во всем мире около 300 миллионов пациентов с хроническими и 100 миллионов пациентов с травмами.Раны ложатся огромным финансовым бременем на системы здравоохранения во всем мире, составляя более 25 миллиардов долларов каждый год только в США (Sen et al., 2009). Кроме того, частота хронических ран быстро возросла из-за растущей распространенности диабета 2 типа, заболеваний периферических сосудов и метаболического синдрома. Хотя лечение острых и травматических ран небольшой площади является эффективным, возникают проблемы при длительном лечении пациентов с ожогами большой площади, инфицированными ранами и хроническими ранами.На Рисунке 1 представлена ​​сводка стандартных процедур ухода за ранами, применяемых во многих клиниках ухода за ранами и передовых центрах ухода за ранами, которые имеются только в специализированных отделениях по уходу за ранами. Очевидно, что потребность в послеоперационном и экстренном уходе за ранами растет, и к усовершенствованному уходу за ранами добавляются новые методы лечения. Однако многие механистические аспекты заживления ран остаются плохо изученными, мы направляем читателя к другим обзорам для получения дополнительной информации о детальных механизмах заживления ран (Martin, 1997; Gurtner et al., 2008; Eming et al., 2014). Кроме того, мы отсылаем читателя к обзорам генной терапии и терапии стволовыми клетками для заживления ран (Branski et al., 2009; Heublein et al., 2015), роли механических сил в заживлении ран (Agha et al., 2011; Wong et al., 2011a, 2012) и иммунный ответ на имплантаты из биоматериала (Franz et al., 2011) для получения дополнительной информации по этим темам. В этом обзоре мы сосредоточимся на терапевтических средствах для ран на основе биоматериалов и наночастиц, в частности, на тех, которые прошли значительную доклиническую разработку или проходят клинические испытания / клиническое использование.Чтобы представить перспективу этих методов лечения, мы сначала обсудим важные аспекты заживления инфекционных ран, ожоговых ран и хронических ран, поскольку эти типы ран больше всего выиграют от улучшенных методов лечения ран.

Рис. 1. Уход за раной . Схематическая диаграмма, показывающая различия между стандартным уходом за ранами, который доступен в любой клинике, и передовым уходом за ранами, который доступен только в специальных отделениях по уходу за ранами по всей стране.

Распространенность хронических ран быстро увеличивалась в последние десятилетия, что привело к значительному росту затрат на здравоохранение и заболеваемости пациентов (Sen et al., 2009). Хронические раны неоднородны по внешнему виду и этиологии. Часто наблюдается высокая активность протеазы, крупномасштабная инфекция и образование биопленок, ишемия или гипоксия в ткани, рецидивирующее повреждение из-за невропатии или клеточная недостаточность, приводящая к гангрене, связанной с хроническими ранами. Хронические раны чаще всего возникают в виде венозных язв ног, пролежней или язв стопы и чаще встречаются у пациентов с диабетом и ожирением. Распространенность диабета 2 типа резко возросла за последние годы и еще больше усугубляет проблему хронического развития ран (American Diabetes, 2013; Futrega et al., 2014). Кроме того, невропатия и микрососудистая ангиопатия являются частыми осложнениями диабета и вносят вклад в 12-25% пожизненного риска развития диабетических язв (Singh et al., 2005). В частности, язвы диабетической стопы составляют 25–50% общих затрат на лечение диабета (Armstrong et al., 2013) и являются наиболее частой причиной ампутаций конечностей в США (Larsson et al., 1998). Диабетическая язва — сложная клиническая проблема, требующая многостороннего плана лечения со стандартными терапевтическими компонентами, включая санацию некротизированной ткани, разгрузку, инфекционный контроль, хирургическую реваскуляризацию и подъем / сжатие конечностей (Ayello, 2005; Alexiadou and Doupis, 2012; Andrews et al. ., 2015). Кожные трансплантаты, в том числе биоинженерная или искусственная кожа, аутотрансплантаты, аллотрансплантаты или ксенотрансплантаты из тканей животных, дали многообещающие результаты в клинических испытаниях язвы диабетической стопы (Santema et al., 2016). Хотя многие биоактивные подходы были исследованы для улучшения ухода за ранами у пациентов с диабетом (Calderini et al., 2014), многие из них оказались неэффективными в клинических испытаниях, и эти незаживающие раны остаются серьезной клинической проблемой (Steed et al., 2014). др., 1992; Ричард и др., 1995; Wieman et al., 1998; Конь, 2006; Учи и др., 2009; Марти-Карвахал и др., 2015).

Инфекционный контроль чрезвычайно важен из-за роста числа микробов с множественной лекарственной устойчивостью во всем мире. Широкое использование антибиотиков за последние 20 лет привело к развитию устойчивости к антибиотикам у бактерий и грибов (Bell et al., 2014). Ситуация особенно серьезна в развивающихся странах, где мало контроля над продажей и использованием антибиотиков.Безудержное использование антибиотиков привело к введению бактериальных генов из почвенного «резистома» в патогены человека, о чем свидетельствует наличие тех же генов у почвенных бактерий и бактерий человека (Blair et al., 2015). Стафилококк — наиболее частая инфекция, обнаруживаемая при ожогах и ранах (Dhanalakshmi et al., 2016). Метициллин-резистентный Staphylococcus aureus (MRSA) — самая распространенная внутрибольничная инфекция, ежедневно поражающая миллионы пациентов (Dantes et al., 2013). Интересно, что микробы, поражающие пациентов с хроническими инфицированными ранами, также зависят от географического положения (Banu et al., 2015; Uckay et al., 2015). В мае 2015 года Всемирная ассамблея здравоохранения, входящая в состав Всемирной организации здравоохранения, приняла Глобальный план действий по борьбе с устойчивостью к противомикробным препаратам, который демонстрирует безотлагательность этой проблемы (Assembly, 2015). В декабре 2015 года конгресс США одобрил увеличение финансирования на 303 миллиона долларов для борьбы с этой глобальной эпидемией устойчивости к противомикробным препаратам.Устойчивые к антибиотикам организмы представляют серьезную проблему для инфицированных ран, и существует огромная потребность в разработке новых методов лечения с использованием нанотехнологий и передовых биоматериалов для решения этой проблемы. Разработка эффективных противомикробных препаратов против микробов с множественной лекарственной устойчивостью, замедляющих заживление ран, принесет существенную пользу пациентам с хроническими ранами от инфекции.

Ожоговые травмы также представляют собой серьезные проблемы для восстановления функциональности пациента и косметического ремонта.Острые ожоги приводят к внезапному притоку воспалительных цитокинов и факторов роста (Evers et al., 2010). Ожоги большой площади часто приводят к осложнениям, включая гипертрофические рубцы, уродство лица и потерю мышц и функций. Перфузия тканей имеет первостепенное значение для улучшения заживления ран за счет поступления большего количества питательных веществ и создания гипероксических условий, подходящих для заживления (Ramasastry, 2005). Текущие терапевтические режимы при ожогах кропотливо длительны и часто все еще приводят к образованию рубцов и сокращений, которые необходимо устранять с помощью дополнительных методов лечения и длительного ухода.Эффективные раневые повязки, которые вызывают функциональную реконструкцию после ожоговой травмы, окажут сильное влияние на пациентов с ожогами большой площади.

Идеальная усовершенствованная раневая повязка должна поддерживать микросреду раны и устранять ограничения заживления ран, специфичные для типа раны и сопутствующего заболевания или травмы пациента. Обычно предпочтительно, чтобы перевязочные материалы были воздухопроницаемыми, что позволяло оптимальный газообмен и, таким образом, защищало кожу вокруг раны от мацерации и способствовало аутолитической очистке раны при удалении инородных тел и некротических тканей.Повязка также должна поддерживать сбалансированную влажную среду в ране, отдавая влагу сухим ранам и впитывая влагу и экссудаты из влажных ран. Он должен действовать как барьер для защиты от инфекций и обеспечивать теплоизоляцию раны. Наконец, усовершенствованные раневые повязки должны быть направлены на улучшение аспектов естественных процессов заживления ран. Они могут включать стимуляцию ангиогенеза в ранах с плохой перфузией, модуляцию иммунных клеток в ране, усиление инвазии и миграции фибробластов и кератиноцитов в заживающую рану, а также профилактику или лечение инфекции.

В этом обзоре мы уделяем особое внимание текущим методам лечения на основе биоматериалов или НП, которые получили значительную доклиническую разработку или уже начали клиническое использование или испытания. Мы кратко обсуждаем раздел «Основные аспекты заживления ран», за которым следуют разделы, посвященные «Терапии на основе биоматериалов» и «Терапии ран на основе наночастиц». Мы решили сосредоточиться на терапии на основе биоматериалов и НЧ, потому что с появлением новых и передовых технологий эти области стали взаимозависимыми.По нашему мнению, мы должны быть осведомлены о достижениях в обеих областях, чтобы иметь возможность разрабатывать новые методы лечения для решения множества проблем в области заживления ран.

Основные аспекты заживления ран

В процессе заживления ран есть четыре относительно различных фазы, которые включают гемостаз, воспаление, пролиферацию и ремоделирование (рис. 2). Чтобы лучше понять процесс, давайте проведем аналогию с королевством в состоянии войны. Первый шаг во время войны — закрыть ворота замка, что эквивалентно фазе гемостаза при заживлении ран, которая влечет за собой свертывание крови, опосредованное тромбоцитами.Следующим шагом является массированная атака на врага, которая похожа на фазу воспаления при заживлении ран, опосредованную макрофагами и нейтрофилами. Затем набирается огромное количество ремонтников, таких как сантехники, кровельщики, строители и рабочие, чтобы исправить повреждения, нанесенные замку, что похоже на фазу пролиферации при заживлении ран, опосредованную макрофагами, лимфоцитами, фибробластами и кератиноцитами. Наконец, ремонт замка проводится дизайнерами интерьеров для окончательного ремонта, аналогичного этапу ремоделирования при заживлении ран, в первую очередь за счет фибробластов.Фазы заживления ран находятся в тонком балансе друг с другом, особенно фазы воспаления и разрастания. Если во время заживления наблюдается слишком сильное воспаление, это приводит к хроническим незаживающим ранам, которые часто встречаются при многих заболеваниях периферических сосудов и у пациентов с диабетом 2 типа. Напротив, слишком сильное разрастание во время заживления приводит к образованию неэстетически приятных рубцов и снижает качество жизни. Кроме того, при повреждении подлежащей мышечной ткани сателлитные клетки активируются с образованием миобластов, запускающих процесс заживления мышц, который обычно занимает даже больше времени, чем заживление кожных ран.

Рис. 2. Фазы заживления ран . Схематическая диаграмма, поясняющая четыре различных этапа нормального заживления ран, включая гемостаз, воспаление, пролиферацию и ремоделирование, вместе с временной шкалой каждой фазы.

Фаза гемостаза

После первоначального ранения существует вероятность кровотечения и необходимости гемостаза (рис. 2). На поле боя потеря крови или кровотечение в результате острых травм — основная причина смерти солдат (Clifford, 2004).Несмотря на то, что жгуты по-прежнему используются в полевых условиях для временной остановки кровотока в больших ранах, это может привести к ишемии и реперфузионному повреждению тканей (Percival and Rasmussen, 2012). Таким образом, продукты для улучшения гемостаза имеют первостепенное значение для предотвращения обескровливания и геморрагического шока у людей с обширными ранами. Наиболее часто используемые методы для облегчения гемостаза — это прямое давление на рану и наложение гемостатических материалов. Гемостатики могут быть трех разных типов, включая средства, способствующие свертыванию (например,g., каолин) и мукоадгезивные агенты (например, хитозан) (Kozen et al., 2008).

Фаза воспаления

Естественная реакция иммунной системы на любое телесное повреждение — наблюдение за состоянием и незаконной воспалительной реакцией для борьбы с инородными частицами (рис. 2). Классические признаки воспаления были описаны с первого века нашей эры в Риме и называются dolor (боль), calor (тепло), rubor (покраснение) и опухоль (отек) (Karimbux, 2014). Воспалительная реакция опосредуется нейтрофилами и моноцитами (которые дифференцируются в макрофаги) (Broughton et al., 2006). Нейтрофилы участвуют в контроле за инфекцией, а макрофаги удаляют клеточный мусор и подают растворимые сигналы, которые активируют фибробласты и миофибробласты в фазе пролиферации заживления ран, высвобождая различные виды цитокинов, протеаз и факторов роста в ране. У пациентов с хроническими состояниями раны часто приобретают сильно воспалительное состояние, что требует применения нестероидных противовоспалительных препаратов (салицилаты, арилалкановые кислоты, 2-арилпропионовые кислоты, N -арилантраниловые кислоты, пиразолидины, оксикамы и СОХ. -2 ингибитора) (Su et al., 2010) и антибиотики (полимиксины, макролиды, тетрациклины, аминогликозиды, линкозамиды, стрептограмины и плевромутилины) (Martin, 1997).

Фаза распространения

Это фаза восстановления процесса заживления раны (рис. 2). Во время воспалительной фазы макрофаги и нейтрофилы выделяют различные цитокины и хемокины, которые привлекают клетки в микроокружение раны, включая другие лимфоциты, эндотелиальные клетки, фибробласты, миофибробласты и кератиноциты (DiPietro, 1995).Кератиноциты мигрируют от края раны, покрывают ложе раны и восстанавливают барьерную функцию кожи. Фибробласты пролиферируют и секретируют различные белки внеклеточного матрикса (ЕСМ), включая фибрин, фибронектин, коллаген и другие белки ЕСМ, которые обеспечивают предварительную матрицу для ремоделирования тканей и ангиогенеза. Это формирует грануляционную ткань раны, что необходимо для правильного заживления раны (Mayet et al., 2014). Лимфоциты и другие иммунные клетки обеспечивают дополнительный ответ на инфекционные агенты, продолжая процессы, инициированные ранним притоком нейтрофилов.Эндотелиальные клетки под воздействием растворимых факторов, высвобождаемых тромбоцитами, макрофагами и другими клетками, инициируют неоваскуляризацию в ложе раны для улучшения обмена питательных веществ и кислорода. Новые сосуды также помогают транспортировать другие клетки в пораженную область, облегчая процесс заживления ран. Этот шаг может длиться от 4 дней до 3 недель.

Фаза ремоделирования

Заключительная фаза процесса заживления раны — это ремоделирование раны и окружающей ткани фибробластами, которое начинается примерно через 3 недели после травмы и может продолжаться до 2 лет (рис. 2).Фибробласты и миофибробласты упорядоченно формируют сеть коллагеновых волокон и других белков ECM, используя протеазы для разрушения существующей больной ткани. Грануляционная ткань, образующаяся во время фазы пролиферации, состоит из незрелого коллагена III типа и является относительно слабой. Во время ремоделирования фибробласты постепенно заменяют коллаген III типа зрелым коллагеном I типа (Hantash et al., 2008). Конечная цель — восстановить ткань до состояния, существовавшего до травмы, во время которого рана постепенно становится менее васкуляризованной.

Модели животных для заживления ран

Для эффективного изучения заживления ран путем имитации процесса заживления ран у человека был разработан ряд моделей заживления ран на животных (Kim et al., 2015) на мышах (Wong et al., 2011b), крысах (Dorsett-Martin and Wysocki). , 2008), кролика (Chien, 2007; Aksoy et al., 2009; Pelizzo et al., 2015) и свиньи (Sullivan et al., 2001). Мелкие млекопитающие, такие как крысы, мыши и кролики, относительно недороги, требуют меньше ресурсов, имеют множество мутантных моделей для замедленного заживления ран и, следовательно, их легко получить.Более того, процесс заживления ран у мелких млекопитающих занимает 1-2 недели, а не недели или месяцы в клинических исследованиях на людях. Однако основным ограничением этих моделей является различие в механизмах заживления ран по сравнению с заживлением ран у человека и, в частности, сложность хронической незаживающей раны (Ansell et al., 2012). Анатомия кожи человека значительно отличается от анатомии кожи крыс, мышей или кроликов (Ansell et al., 2012). Таким образом, процесс заживления ран сильно отличается, и поэтому его трудно сравнивать.Кроме того, грызуны в основном используют сокращение раны, используя нижележащий тонкий мышечный слой, panniculus carnosus, для заживления ран, в то время как люди заживляют раны за счет образования грануляционной ткани (Dunn et al., 2013). Среди моделей крупных животных кожа свиньи имеет близкое структурное сходство с кожей человека с точки зрения толщины эпидермиса и соотношения толщины дермы и эпидермиса (Sullivan et al., 2001). У них также есть похожие структуры волосяных фолликулов и сосудистой сети в коже. Более того, содержание кожного коллагена и дермальной эластичности в коже свиньи больше похоже на человеческое, чем у других широко используемых млекопитающих (Sullivan et al., 2001). Тем не менее, основным ограничением моделей заживления ран у свиней является значительная стоимость содержания и ухода за животными, различное сокращение ран у свиней в зависимости от местоположения и высокая скорость роста свиней, которая может исказить процесс заживления ран.

Терапия ран на основе биоматериалов

Биоматериалы использовались для ускорения заживления ран со времен самых ранних работ, связанных с медициной. Древние писания египтян включают упоминания об использовании меда, жира и растительных волокон для улучшения заживления ран (Shah, 2011).Биоматериалы стали неотъемлемой частью медицинской промышленности с двадцатого века. Мировая индустрия биоматериалов оценивается в 150 миллиардов долларов и неуклонно растет (Ratner, 2007). После Второй мировой войны ограниченные классы новых полимеров были выпущены для широкой публики и использовались в медицинских устройствах. Эти материалы включали полиэфиры, силиконы, фторполимеры, полиуретаны, нейлоны и метакрилаты (Ratner, 2007). Эти полимеры затем использовались для биомедицинских применений, таких как сосудистые трансплантаты, интраокулярные линзы, протезы бедра, шунты для гидроцефалии, системы диализа почек и другие медицинские устройства.В настоящее время биоматериалы, используемые в медицинской промышленности, можно в общих чертах разделить на три категории: металлы (стенты, зубные имплантаты и т. Д.), Керамика (ортопедические и зубные имплантаты) и полимеры (швы, сосудистые трансплантаты, суставные ткани, мягкие ткани в общие) (Ратнер, 1993). Биоматериалы были чрезвычайно важны в индустрии ухода за ранами, особенно для перевязок ран, терапии инкапсуляции клеток и терапии инкапсуляции NP. В этом разделе мы обсудим роль биоматериалов в приложениях для заживления ран.

Биоматериалы в разработке

Краткое описание биоматериалов, разрабатываемых в настоящее время, показано в таблице 1.

Таблица 1. Повязки на основе биоматериалов в разработке .

Автономные биоматериалы

Произошел значительный рост инженерных биоматериалов для индустрии ухода за ранами (Salamone et al., 2016). Была разработана усовершенствованная жидкая адгезивная повязка, которая представляет собой жидкий амфифильный силоксисилановый полимер-содержащий материал покрытия с антимикробным агентом или без него, который может действовать как повязка или покрытие на коже, устройстве или повязке для предотвращения повреждений. к ранам, коже или слизистой оболочке в результате приложения давления, трения и сдвигающих сил (Salamone et al., 2016). Гидрогели на основе декстрана использовались в модели ожоговой раны у свиней третьей степени и показали улучшенное закрытие раны, реэпителизацию и реиннервацию нервов по сравнению с контрольной группой (Sun et al., 2011; Shen et al., 2015). Наиболее многообещающей особенностью гидрогелей на основе декстрана для ожоговых ран является эффективная регенерация нервов по сравнению с неклейкой обработкой повязкой Curity (рис. 3). Биоматериалы, которые избирательно разлагаются реактивными формами кислорода (АФК), были использованы для создания каркасов для заживления ран с согласованной скоростью биодеградации каркасов, опосредованной ростом и клетками (Martin et al., 2014). Эти каркасы на основе политиокетального уретана были стабильными в течение 25 недель в водных условиях, но разлагались тканевыми ROS в течение 7 недель, что приводило к более эффективному закрытию раны по сравнению с повязками из полиэфирно-уретана (Martin et al., 2014). Биоматериалы на основе биостеклов недавно также показали потенциал в улучшении заживления ран и ангиогенеза на животных моделях заживления ран (Mao et al., 2015; Xu et al., 2015; Zhao et al., 2015; Yu et al., 2016; Чжоу и др., 2016). Например, микроволокна из боратного биоактивного стекла, легированные медью, увеличивают как скорость отложения коллагена, так и ангиогенез в полнослойных ранах у крыс (Zhao et al., 2015). Кроме того, искусственные дермальные конструкции также важны для заживления дефектов ран. Предыдущие методы приготовления приводили к образованию остаточных альдегидов, оставшихся после производственного процесса. УФ-перекрестное сшивание использовалось для создания эффективных искусственных дермальных конструкций из коллагена и гликозаминогликана, смешанных в гидрогеле, для заживления ран (Lew et al., 2007). Они протестировали его in vitro с человеческими кератиноцитами и обнаружили более высокую пролиферацию и биосовместимость клеток по сравнению с химически сшитыми конструкциями.Было показано, что синтетические гидрогели с полипептидами переменной длины, связанными с полиэтиленгликолем (PEG), обладают как антибактериальными, так и клеточными адгезивными свойствами (Song et al., 2012). Автономные гидрогели для заживления ран являются многообещающим подходом и обеспечивают отправную точку для доставки биологически активных агентов посредством прямой конъюгации или инкапсуляции, как обсуждается ниже.

Рисунок 3. Регенерация нерва на модели раны свиньи. (A) Изготовленное на заказ устройство с блоком давления для создания ожоговых ран на спинной части свиной кожи. (B) Хирург создает ожоговые раны в паравертебральной области грудной клетки с помощью специального устройства. (C, D) Иммуноокрашивание ткани раны на 40 день, обработанной неклейкой повязкой Curity (Covidien) и гидрогелем декстрана, соответственно. Верхняя панель показывает край ткани, а нижняя панель показывает середину ткани. Белые стрелки показывают нейронные волокна. Окрашивание нейронов (PGP9.5) показано зеленым, кровеносные сосуды (α-актин гладких мышц) — красным, а ядра (DAPI) — синим.Бар = 100 мкм. Воспроизведено с разрешения Shen et al. (2015).

Биоматериалы, инкапсулирующие биоактивные компоненты

В последние десятилетия факторы роста были протестированы в качестве местного лечения для улучшения заживления ран. Тем не менее, эти методы лечения фактора роста имели лишь ограниченный успех в клинических испытаниях, и большинство исследований представляют собой клинические испытания малого и среднего размера, которые часто отслеживают только полное закрытие раны, но не процент закрытия или время до закрытия, часто оставляя клинические испытания. Рекомендации для этих методов лечения неясны.Единственным одобренным клиническим препаратом для лечения хронических ран фактором роста является рекомбинантный тромбоцитарный фактор роста-BB (PDGF-BB) (бекаплермин), и, хотя он одобрен FDA, он показал смешанные результаты в клинических испытаниях хронических язв и имеет только наблюдается ограниченное клиническое применение (Fang and Galiano, 2008; Papanas and Maltezos, 2008; Buchberger et al., 2011). Другие факторы роста, включая FGF-2 и эпидермальный фактор роста (EGF), либо не показали улучшения, либо показали лишь умеренные преимущества в небольших клинических испытаниях (Richard et al., 1995; Acosta et al., 2006; Fernandez-Montequin et al., 2009). Было показано, что структурный домен фактора роста-2 плаценты (PlGF-2) прочно связывается с белками ЕСМ, включая фибронектин, витронектин, тенасцин, остеопонтин, фибриноген и коллаген I. Путем слияния этого домена с другими факторами роста, такими как эндотелиальные сосуды сосудов. были созданы фактор роста-A (VEGF-A), PDGF-BB и костный морфогенетический белок-2 (BMP-2), супер-аффинные факторы роста (Martino et al., 2014). Было показано, что эти сконструированные факторы роста значительно улучшают заживление диабетических ран у мышей по сравнению с природными факторами роста.В недавнем исследовании были получены стволовые клетки из околоплодных вод (AFS), которые, как известно, секретируют цитокины и факторы роста, в полнослойные раны кожи на мышиной модели nu / nu (Skardal et al., 2016). Клетки AFS имеют только ограниченный срок жизни in vivo , но фото-сшиваемый гидрогель гиалуроновой кислоты, конъюгированный с гепарином, сохраняет факторы роста и цитокины, продуцируемые клетками, позволяя этим паракринным факторам высвобождаться в рану. Лечение улучшило закрытие раны с усиленной реэпителизацией, а также увеличило васкуляризацию и выработку ECM (Skardal et al., 2016). Было показано, что раневые повязки на основе гиалуроновой кислоты, которые выделяют α-токоферолы (витамин E), улучшают заживление ран (Pereira et al., 2016). Поскольку тканевое микроокружение имеет множество химических сигналов, доставки одного биоактивного компонента может быть недостаточно для решения всех проблем, связанных с нарушением заживления ран. Кроме того, временной контроль высвобождения факторов, коррелирующих с различными фазами заживления ран, вероятно, будет важным аспектом для ускорения заживления сложных ран.

Биоматериалы, инкапсулирующие клеточную терапию

Стволовые клетки или клетки-предшественники обладают большим регенеративным потенциалом, особенно при повреждении тела. Чтобы воздействовать на хронические раны, были сконструированы мезенхимальные стволовые клетки (МСК) для сверхэкспрессии гена фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и инкапсулированы в гидрогель поли (β-аминоэфира) (Yang et al., 2010). Гели фибрина и ПЭГ, инкапсулирующие стволовые клетки, полученные из жировой ткани (ASC) из выброшенных образцов кожи от ожогов, были протестированы на модели эксцизионной раны на крысах (Zamora et al., 2013). ASC значительно улучшили результаты заживления ран к 16-му дню по сравнению с контролем. Терапия стволовыми клетками, проводимая в биоматериалах, также показала себя многообещающей для заживления ожоговых ран (Ozturk and Karagoz, 2015), диабетических язв (Heublein et al., 2015) и заживления кожных ран (Branski et al., 2009). Гели с микропористыми отожженными частицами (MAP) были созданы путем смешивания предварительно гелевой смеси, включающей PEG-VS, содержащую область пептида RGD и субстрат матричной металлопротеиназы (MMP), с раствором сшивающего агента MMP в микрофлюидном канале для получения гелей, которые были отожжены с использованием FXIIIa, в финальный микропористый каркас (Griffin et al., 2015). Гели были загружены дермальными фибробластами и МСК во время исследований in vitro и , и было обнаружено, что в течение 48 часов наблюдается устойчивое формирование канальцевой сети. Гели MAP сочетают в себе важные свойства перевязки ран, заключающиеся в возможности инъекции и микропористости, которые обеспечивают механическую поддержку быстрой миграции клеток, молекулярные сигналы, управляющие адгезией клеток и резорбцией после регенерации ткани (Griffin et al., 2015). Гели MAP показали свою эффективность при заживлении ран как в модели in vitro, , так и в модели эксцизионного заживления ран на мышах.Инкапсуляция недавно разработанных индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (Li and Li, 2014), перепрограммированных взрослых клеток и других стволовых клеток в гидрогелях будет интересна при модулировании свойств гидрогеля для имитации тканевого микроокружения.

Биоматериалы, доставляющие ядра и кислоты

Комплексное генетическое исследование, отображающее профили экспрессии генов во время заживления кожных ран, послужило стимулом для разработки стратегий доставки генов, способствующих заживлению ран (Deonarine et al., 2007). Системы доставки нуклеиновых кислот на основе биоматериалов уменьшают деградацию, увеличивают поглощение и контролируют лечебную дозу. Такие системы доставки генов могут быть составлены из биосовместимых, биоразлагаемых и одобренных FDA полимеров, таких как поли-1-молочная кислота и сополимер поли-d, 1-лактида с гликолидом (Kim et al., 2005). Коллагеновые гидрогели, инкапсулирующие ДНК, кодирующую ген PDGF-BB, эффективны для ускорения заживления ран при ишемических кожных язвах у новозеландских белых кроликов (Tyrone et al., 2000). Пористые гидрогели на основе гиалуроновой кислоты, содержащие разлагаемый ММР линкер, который инкапсулирует плазмидную ДНК VEGF, приводит к проангиогенным эффектам и лучшему заживлению диабетических ран у мышей по сравнению с непористыми гидрогелями (Tokatlian et al., 2015). Поскольку PDGF-BB является единственным одобренным FDA фактором роста для язв диабетической стопы, предпринимались многочисленные попытки улучшить методы доставки генов для PDGF (Petrie et al., 2005).

Микроокружение кожи изобилует протеазами, в том числе ММП, которые значительно активируются в процессе заживления ран (Madlener et al., 1998; Steffensen et al., 2001; Rohani and Parks, 2015). Эти протеазы разрушают терапевтические белки, такие как факторы роста, цитокины и хемокины; и белки ЕСМ, включая коллаген, фибронектин и витронектин.Таким образом, подавление этих протеаз стало важной целью в исследованиях заживления ран. Малая интерферирующая РНК (siRNA) может обеспечивать ген-специфическое подавление и представлять собой безопасный и эффективный способ подавления воспалительных или других белков-мишеней в хронических кожных ранах. Чтобы модулировать кинетику высвобождения и возможность инъекции, чувствительные к pH интеллектуальные полимерные наночастицы (SPN) загружаются с помощью инъецируемого полиуретанового каркаса (Nelson et al., 2013). SPN обладают электростатической нагрузкой, нуклеазной защитой siRNA и pH-зависимой активностью, разрушающей мембрану.Полиуретановые составы можно вводить непосредственно в рану или дефект, где они застывают в механически прочных, биоразлагаемых каркасах, которые точно соответствуют форме и размеру раны. В этом исследовании они доставляли siRNA против GAPDH вместе с PDGF-BB, инкапсулированным в каркас, и показали улучшенное заживление эксцизионных ран у мышей (Nelson et al., 2013). Другое семейство самосборных перевязочных материалов для ран подавляет действие MMP-9 и улучшает заживление ран у мышей с диабетом (Castleberry et al., 2015).Катионные звездообразные полимеры использовались в качестве носителя siRNA для снижения экспрессии MMP-9 в клетках фибробластов кожи и ускорения заживления ран у крыс с диабетом (Li et al., 2014). Есть много привлекательных аспектов доставки терапевтических средств на основе РНК, включая те, которые используют miRNA, lncRNA, piRNA или shRNA; тем не менее, их эффективное выполнение остается основной задачей на местах.

Биоматериалы на основе продуктов животного происхождения

Биоматериалы, полученные из натуральных продуктов, могут давать материалы с большей сложностью и составом.Чтобы имитировать состояние ECM раны и обеспечить основу для фибробластов для отложения коллагена, терапии на основе ECM приобрели популярность. Лиофилизированная и стерилизованная подслизистая оболочка тонкой кишки свиньи, как недавно было показано, обеспечивает те же преимущества, что и продукты на основе кожи рыбы для улучшения заживления кожных ран (Mostow et al., 2005). Точно так же лиофилизированная амниотическая мембрана крупного рогатого скота оказалась эффективной при заживлении ран (Kang et al., 2013). Белок шелка, фиброин, представляет собой эффективный каркасный материал, обеспечивающий мелкую сетку для роста клеток и ускорения заживления ран (Hasatsri et al., 2015). В настоящее время проводится фаза I клинических испытаний фиброина для ускорения заживления ран. Наконец, существует множество морских гидрогелей полисахаридов, таких как морской коллаген из Stomolophus nomurai meleagris, Oncorhynchus keta, Lates calcarifer, Stichopus japonicas и Salmo salar , альгинат из Macrocystis pyrifera , биоактивные крабы и хитозан. и увеличивают скорость заживления ран у мышей (Chandika et al., 2015). Растет потребность в контроле качества для предотвращения передачи болезней и патогенов через продукты животного происхождения. Лиофилизация, пастеризация и стерилизация — важные методы снижения перекрестного загрязнения. Основные проблемы, связанные с натуральными продуктами, включают вариабельность от партии к партии, долгосрочную иммуногенность и безопасность (Pashuck and Stevens, 2012; Prestwich et al., 2012). Биоматериалы на основе продуктов животного происхождения были исследованы лишь в ограниченном объеме, вплоть до хронических ран, что оставляет огромный потенциал для разработки новых методов лечения в будущих исследованиях.

Антибактериальные и содержащие лекарственные препараты биоматериалы

Лучшее понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе устойчивости к антибиотикам, поможет разработать эффективные лекарственные средства для борьбы с этими устойчивыми организмами (Blair et al., 2015). Возможные способы устойчивости включают пониженную проницаемость для антибиотиков, повышенный отток антибиотиков, изменения в мишенях антибиотиков посредством мутаций, модификации или защиты мишеней и прямые химические модификации антибиотиков.Устойчивость бактерий к антибиотикам обратно коррелирует со скоростью метаболизма, при этом более низкий метаболизм приводит к более высокой устойчивости, а — наоборот (Bryan and Van Den Elzen, 1977; Kohanski et al., 2007; Allison et al., 2011; Martinez and Рохо, 2011). Недавно было показано, что и грамотрицательные бактерии, и грамположительные бактерии были убиты канамицином, когда микробы были предварительно обработаны аланином или глюкозой, которые стимулируют цикл TCA путем активации субстрата (Peng et al., 2015). Наконец, увеличение производства микробных АФК делает Escherichia coli чувствительными к антибиотикам (Brynildsen et al., 2013).

Повязки для ран на основе биоматериалов идеальны для загрузки лекарств или антибиотиков благодаря их настраиваемым свойствам и кинетике высвобождения. Хитозановые микросферы, нагруженные сульфадиазином серебра, инкапсулированные в гели PEG фибрина, показали сильную антимикробную активность против S. aureus и Pseudomonas aeruginosa (Seetharaman et al., 2011). Стрептомицин загружали в полимерные композитные пленки полиэтиленоксида (PEO) (Pawar et al., 2013), PEO с композитными пленками каррагинана (Boateng et al., 2013) и PEO с альгинатными композитными пленками (Pawar et al., 2014) для улучшения заживления ран. Сходным образом ципрофлоксацин загружали в электропряденую полиуретановую и декстрановую повязки (Unnithan et al., 2012) и каркас из ПЭГ-хитозана (Sinha et al., 2012). Многие другие антибиотики вводят в различные натуральные, синтетические или композитные повязки для ран.Интерес возродился, и недавние расходы на академические и промышленные исследования увеличились с целью разработки эффективных и целевых противомикробных препаратов, которые улучшили усвоение, уменьшили деградацию и метаболическую мимикрию для увеличения усвоения. Помимо противомикробных препаратов, многие низкомолекулярные препараты и промежуточные продукты доставляются с использованием систем на основе биоматериалов (Hubbell, 1996). Препарат 1,4-дигидрофенонтролин-4-он-3-карбоновая кислота (1,4-DPCA), который является ингибитором пролилгидроксилазы (PHD), был загружен в гидрогель для местной инъекции для достижения контролируемой доставки лекарственного средства в течение 4–4 часов. 10 дней (Zhang et al., 2015b). Это стабилизировало конститутивную экспрессию белка индуцируемого гипоксией фактора-1α (HIF-1α), важного фактора заживления ран и ангиогенеза.

Биоматериалы в клинической практике

Краткое описание биоматериалов, используемых в настоящее время в клинической практике, приведено в таблице 2.

Таблица 2. Повязки на основе биоматериалов для клинического применения .

Тонкие пленки, пены и вафли

Наиболее часто используемые перевязочные материалы представляют собой тонкие гибкие листы прозрачного полиуретана с липкой основой.Эти прозрачные повязки позволяют врачам визуализировать кожу, а также проницаемы для водяного пара, O ₂ , CO ₂ , но непроницаемы для бактерий и воды. Таким образом, помимо заживления ран, они широко используются для герметизации устройств сосудистого доступа, особенно в катетерах и капельницах с физиологическим раствором, поскольку они очень эластичны и соответствуют контурам тела. Широкое использование этих тонких пленок, пропитанных хлоргексидином, значительно снизило частоту инфекций центральной линии (Jeanes and Bitmead, 2015).Они также используются при поверхностных ранах, ранах неполной толщины, зашитых ранах, участках донорского трансплантата, зернистых ранах, слущивающихся ранах с минимальным дренированием и рваными или ссадинами (Stashak et al., 2004). Однако эти повязки неэффективны для ран с высоким содержанием влаги и экссудата, поскольку они обладают минимальной абсорбционной способностью и, таким образом, могут вызывать мацерацию тканей. Их не следует использовать в сильно инфицированных ранах и в местах с чувствительной или хрупкой кожей, поскольку при снятии повязки кожа может порваться.

Во многих случаях чрезмерная секреция экссудата пагубно сказывается на процессе заживления ран. Повязки из абсорбирующей пены из полиуретана были разработаны с гидрофильной поверхностью для взаимодействия с раной, в то время как гидрофобная поверхность обращена к внешней среде. Эти повязки проницаемы для газа, но не для бактерий и других патогенов. В отличие от пленок, эти повязки обладают высокой абсорбирующей способностью и используются в ранах с минимальным и сильным экссудатом, гранулирующих или покрытых слоем раны неполной толщины, донорских участках, легких ожогах, диабетических язвах и язвах венозной недостаточности (Banks et al., 1997). Пенные повязки, пропитанные метиленовым синим, также использовались для бактериостатического эффекта (Coutts et al., 2014). Преимуществами поролоновых повязок являются их простота использования, замечательная впитывающая способность и доступность различной степени адгезии и окклюзии. Однако абсорбирующие свойства пенополиуретана делают их непригодными для лечения сухих или покрытых струпом ран и артериальных язв.

Гидроколлоиды, такие как пектин, желатин и карбоксиметилцеллюлоза, а также клеи и полимеры используются для изготовления вафель в тонких повязках.Эти повязки содержат гидрофильные коллоидные частицы с прочной адгезивной основой, для закрепления которой требуется только небольшой участок неповрежденной кожи, что исключает необходимость наклеивания ленты поверх повязки (Hutchinson and McGuckin, 1990). Эти повязки обладают умеренной абсорбционной способностью, но обладают высокой плотностью закупоривания и являются эффективным барьером против мочи, стула и микробов. Таким образом, они используются при частичных и полнослойных ранах, зернистых и некротических ранах, пролежнях крестца и копчика, легких ожогах и язвах венозной недостаточности.Однако гидроколлоидные повязки противопоказаны при сильно дренирующих ранах, инфицированных ранах, артериальных язвах, ожогах третьей степени и открытых сухожилиях / фасциях (Kannon and Garrett, 1995).

Гидрогели глицерина и альгината

Гидрогели широко используются при изготовлении перевязочных материалов для ран. В клинической практике существует множество гидрогелей как во влажной, так и в сухой (лиофилизированной) форме. Повязки для ран на основе глицерина с высоким содержанием воды выпускаются в виде листов, гелей или пропитанных сеток (Baum and Busuito, 1998).Они очень увлажнены и поэтому впитывают минимальное количество жидкости, но отдают влагу сухим ранам. Эти повязки проницаемы для газа и воды, почти всегда не липкие и требуют вторичных повязок. Поэтому они в основном используются для минимального дренирования ран, поверхностных и частичных ран, смягчения обесцвеченных ран за счет влаги и обеспечения прокладки для уменьшения силы сдвига на раны (Kirsner, 2016). Однако глицериновые повязки противопоказаны при сильно дренированных ранах и инфицированных ранах.

Другой класс широко используемых гидрогелевых повязок для ран — это повязки на основе альгината. Альгиновая кислота извлекается из морских водорослей, превращается в соли натрия и сшивается с кальцием. Эти повязки являются гидрофильными для обеспечения влажной среды раны и обладают высокой абсорбирующей способностью, если их доставляют в лиофилизированной форме. Поскольку эти повязки очень проницаемы и не окклюзионны, необходима вторичная повязка, чтобы удерживать их на месте (Gu et al., 2014). Альгинатные гидрогели могут быть изготовлены как в виде листов для поверхностных ран, так и в виде веревок для глубоких ран.Они также универсальны в обеспечении платформы доставки и могут быть пропитаны серебром, медом и хлоридом натрия для дополнительных антимикробных и гиперосмотических свойств. Таким образом, эти повязки используются при умеренных и сильно дренирующих ранах, частичных и полных дренирующих ранах и инфицированных ранах (Kirsner, 2016). Однако они противопоказаны при сухих, слабо дренируемых или покрытых струпом ранах, артериальных язвах и обнаженных более глубоких структурах сухожилий, суставной капсулы или кости.

Гемостатики

Самый распространенный структурный белок в животном мире, коллаген, широко используется для создания гемостатических биосинтетических повязок.Фрагменты коллагена в повязках вызывают пролиферацию и хемотаксис клеток, снижая при этом активность матриксной ММП (Ruszczak, 2003). ММП представляют собой тканевые протеазы или эндопептидазы, которые содержат цинк, зависят от кальция и имеют решающее значение для фазы ремоделирования раны, поскольку они преимущественно разрушают компоненты ВКМ в коже (Birkedal-Hansen et al., 1993). Несмотря на ограниченное количество исследований и необходимость улучшения дизайна исследований и увеличения числа рандомизированных контролируемых испытаний, раневые повязки, содержащие коллаген, по-видимому, имеют некоторую пользу при лечении язв диабетической стопы и должны быть тщательно рассмотрены врачами, занимающимися лечением ран (Holmes et al. ., 2013). Карбоксиметилцеллюлоза или окисленная регенерированная целлюлоза (ORC) в сочетании с коллагеном приводит к снижению активности ММП, увеличению пролиферации клеток и хемотаксису (Cullen et al., 2002).

Композиты

Чтобы объединить преимущества различных видов повязок из биоматериала, были разработаны композитные повязки с несколькими слоями различных биоматериалов (Pillay et al., 2015). Нижний или самый внутренний слой обычно состоит из полу- или неадгезивного материала, который позволяет экссудату раны течь к следующему слою, а также прилегает к грануляционной ткани раны.Этот слой является тонким, не прилипающим / не прилипающим, и нетоксичной тканой / нетканой сеткой. Они часто изготавливаются из полиуретана или полиэстера, ПТФЭ и иногда содержат силикон и нефтяные добавки. Они прикладываются непосредственно к ложу раны и пропускают дренаж. Средний слой состоит из хорошо впитывающего материала, который отводит экссудат из раны, но сохраняет влажность окружающей среды. Это снижает мацерацию кожи из-за избытка влаги, уменьшает рост бактерий и улучшает аутолитическую очистку.Самый верхний или самый внешний слой является сильно окклюзионным по своей природе и защищает рану от инфекции (Wittaya-areekul and Prahsarn, 2006; Elsner et al., 2010). Эти многослойные повязки можно использовать как первичные, так и вторичные.

Другие раневые повязки на основе биоматериалов

Помимо стандартных повязок для ран, биоматериалы использовались для разработки средств защиты кожи (Hoggarth et al., 2005), кожных герметиков (Kemp, 1994), барьеров для влаги (Zehrer et al., 2005) и кератолитиков (Zehrer et al., 2005), который может поставляться в виде крема. Защитные средства для кожи часто наносят на рану и кожу вокруг раны. Они предотвращают мацерацию кожи вокруг раны жидкостью из раны, а также предотвращают высыпание и разрушение кожи в местах утечки (Hoggarth et al., 2005). Кожные герметики представляют собой поливинилметиловые (ПВМ) полимеры на жидкой основе, которые при высыхании образуют на коже водостойкий, дышащий и прозрачный слой (Kemp, 1994). Это защищает кожу вокруг раны от влаги, адгезивов и напряжения сдвига. Кожные герметики хорошо сочетаются с нанесением липкой повязки.Барьеры для влаги состоят из кремов или мазей, содержащих петролатум, диметикон и оксид цинка. Некоторые из них также содержат противогрибковый миконазол, особенно полезный при лечении опрелостей (воспаления кожных складок) (Zehrer et al., 2005). Увлажняющие средства — это более гидрофильные кремы, лосьоны или гели, которые отдают влагу ране или коже вокруг раны. Кератолитики смягчают твердые чешуйки, мозоли и гиперкератотические поражения и включают кремы с салициловой кислотой, мочевиной, лактатом аммония (Zehrer et al., 2005).Однако эти кератолитики при чрезмерном использовании могут вызвать мацерацию кожи.

Терапия ран на основе наночастиц

Мировая нанотехнологическая промышленность достигла более 1,5 триллиона долларов в 2014 году, став главной экономической силой (Sahoo et al., 2007; Zhou et al., 2014). Центральная составляющая нанотехнологической индустрии — это инженерные наночастицы. Количество потребительских товаров, содержащих НЧ, растет быстрыми темпами и, как ожидается, достигнет 10 000 к 2020 году. НЧ возникли в качестве нового класса терапевтических средств за последние пару десятилетий благодаря их способности быть направленным и низкой токсичностью.НЧ обычно определяют как частицы размером от 1 до 100 нм. Эти мелкие частицы часто имеют физические и химические свойства, отличные от сыпучих материалов. Эти свойства могут включать изменения точек плавления, удельных площадей поверхности, определенных оптических свойств, механической прочности и определенных намагниченностей. Эти уникальные свойства делают их привлекательными для различных промышленных и медицинских применений.

Наночастицы приобрели важное значение в области регенеративной медицины за последние два десятилетия (McLaughlin et al., 2016). Многие биологические процессы происходят с помощью механизмов, которые действуют в нанометровом масштабе. Таким образом, такие материалы, как НЧ, могут использоваться в качестве уникальных инструментов для доставки лекарств, визуализации, зондирования и исследования биологических процессов (Wang and Wang, 2014). В контексте заживления ран особые свойства НЧ, такие как электропроводность, антимикробная активность, высокое отношение поверхности к объему, набухание и сокращение, делают НЧ универсальными ресурсами. В следующих разделах мы конкретно поговорим о различных терапевтических средствах на основе NP, которые либо проходят доклиническую разработку, либо используются в настоящее время в клинических условиях.

Наночастицы в разработке

Разрабатываемые методы лечения ран на основе NP представлены в таблице 3.

Таблица 3. Терапия на основе наночастиц в разработке .

Металлические наночастицы

Наночастицы серебра (AgNP) являются наиболее изученными среди металлических НЧ. Эти NPs, как было показано, усиливают заживление на модели эксцизионных ран на всю толщину у мышей (Liu et al., 2010). Также было показано, что повязки, пропитанные AgNP, эффективны при заживлении ран у нормальных мышей и мышей с диабетом (Tian et al., 2007). Антимикробные свойства серебра использовались при оценке токсичности ASC человека (Samberg et al., 2012), линий рака человека (Arora et al., 2008), кератиноцитов человека (Samberg et al., 2010) и других клеток человека. линий (AshaRani et al., 2009). Кроме того, было показано, что AgNPs обладают противовоспалительным действием на модели перитонеальной адгезии (Wong et al., 2009). Недавно безопасность и эффективность покрытых коллагеном AgNP, инкапсулированных в гидрогели коллагена, была показана на первичных фибробластах кожи и кератиноцитах человека; в то время как антимикробные свойства были показаны против S.aureus, Staphylococcus epidermidis, E. coli и P. aeruginosa (Alarcon et al., 2015). Чтобы получить представление о влиянии AgNP на здоровье и окружающую среду, они были протестированы на моделях рыбок данио (Asharani et al., 2008) и обнаружили, что NPs вызывают дозозависимую токсичность у эмбрионов. Это может поддерживать неспецифическое действие AgNP на все типы клеток, включая поврежденные клетки-хозяева. НЧ фторида магния (MgF ₂ ) (Lellouche et al., 2009), полученные стандартным микроволновым методом (Jacob et al., 2006) высокоэффективны против внутрибольничных микробов, включая E. coli и S. aureus . Местное применение водорастворимых НЧ оксида церия (Nanoceria) ускоряет заживление полнослойных кожных ран у мышей (Chigurupati et al., 2013). Считается, что механизм действия заключается в сильных антиоксидантных свойствах НЧ оксида церия. Сходным образом было показано, что НЧ меди ускоряют заживление ран в эксцизионных ранах мышей (Rakhmetova et al., 2010). НЧ оксида железа, конъюгированные с тромбином, использовались для улучшения заживления ран по сравнению со свободным тромбином (Ziv-Polat et al., 2010). Это было достигнуто за счет увеличения стабильности тромбина посредством конъюгации с оксидом железа. НЧ золота, доставляемые совместно с галлатом эпигаллокатехина и α-липоевой кислотой, значительно ускоряли заживление кожных ран у мышей за счет противовоспалительного и антиоксидантного эффектов (Leu et al., 2012). Золотые NPs, конъюгированные со сферическими нуклеиновыми кислотами (SNAs) на основе siRNA, были использованы для лечения диабетических ран с нокдауном ганглиозид-моносиаловой кислоты 3-синтазы (GM3S) (Randeria et al., 2015).GM3S — это фермент, который сверхэкспрессируется у мышей с диабетом и может вызывать резистентность к инсулину и замедлять заживление ран. In vivo исследования на мышах с ожирением и диабетом, индуцированным диетой, показали снижение локальной экспрессии GM3S на> 80% на краю раны через путь миРНК и полное заживление ран клинически и гистологически в течение 12 дней, тогда как раны, обработанные контрольной группой, были только около половина ран была закрыта (рисунок 4). Золотые НЧ также использовались с де-клеточной диафрагмой свиньи в качестве основы для миграции клеток раны (Cozad et al., 2011). Мы считаем, что среди всех металлических НЧ наиболее многообещающими терапевтическими вариантами являются НЧ золота и серебра из-за их универсальности. В то время как серебро обладает противомикробным и противовоспалительным действием, золото может быть легко функционализировано для точной доставки лекарства или груза.

Рисунок 4. Преодоление инсулинорезистентности для эффективного заживления ран на мышиной диабетической модели. (A) Схематическое изображение наночастиц золота, конъюгированных с миРНК ганглиозид-моносиаловая кислота-3-синтаза (GM3S), называемой сферической нуклеиновой кислотой (SNA).Поверхность SNA пассивирована олигоэтиленгликолем для коллоидной стабильности. GM3S — известная мишень, которая сверхэкспрессируется у мышей с диабетом и ответственна за возникновение инсулинорезистентности и затруднение заживления ран. (B) Конфокальные изображения показывают устранение GM3 в кератиноцитах, обработанных GM3S SNA (нижний), по сравнению с NT без обработки (верхний). GM3, окрашенный в зеленый цвет; красные окрашенные ядра. Бар = 50 мкм. (C) Макроскопические клинические изображения ран на мышиной модели ожирения, индуцированного диабетической диетой, в течение 2 недель с тремя различными видами лечения. (D) Типичные гистологические изображения обработанных ран на 12 день. D — дерма; E, эпидермис; ЭГ, эпидермальная щель; ГТ, грануляционная ткань. Бар = 500 мкм. NS, бессмысленность; NT, без лечения. Воспроизведено с разрешения Randeria et al. (2015).

Наночастицы, содержащие антибиотики

В последнее время наблюдается всплеск передовых терапевтических средств, нацеленных на микробы с множественной лекарственной устойчивостью, с использованием антибиотиков, связанных с НЧ, обычно называемых нанобиотиками. Новые классы полиакрилатных НЧ, конъюгированных с антибиотиками, были созданы для лечения MRSA (Turos et al., 2007). Они состоят из нерастворимых в воде N-тиолированных бета-лактамных антибиотиков, ковалентно конъюгированных с нанополимером. Эти нанобиотики значительно увеличили антимикробную активность антибиотиков по сравнению с неконъюгированной антибиотической композицией. Аналогичным образом, НЧ поли (бутилакрилат-стирол), конъюгированные с N-тиолированным бета-лактамным антибиотиком, были приготовлены с использованием обычных и полимеризуемых поверхностно-активных веществ, которые показали более высокую антимикробную активность при сохранении низкой токсичности (Garay-Jimenez et al., 2009). НЧ желатина, хитозана и эпигаллокатехин галлата также были включены в гидрогели полиглутаминовой кислоты и желатина, содержащие волокна активированного угля с гентамицином, для создания повязки на рану для усиления регенерации и подавления роста микробов (Lin et al., 2015). НЧ, модифицированные ванкомицином, полученные с помощью магнитного удержания, также высокоэффективны против грамположительных и грамотрицательных бактерий (Kell et al., 2008). Кроме того, меченые фолиевой кислотой хитозановые НЧ использовались в качестве «троянских коней» для доставки ванкомицина в бактериальные клетки и их эффективного уничтожения (Chakraborty et al., 2010). С ростом числа микробов, устойчивых к антибиотикам, необходимость в терапии, направленной на грамотрицательные бактерии, стала неотложной проблемой, и системы доставки NP могут предоставить средства для повышения активности обычных антибиотиков в среде раны.

Наночастицы с высвобождением оксида азота

Оксид азота (NO) играет многочисленные роли в заживлении ран и может регулировать отложение белков ECM, пролиферацию клеток и функцию эндотелия. Включение функциональной группы диазениядиолата в материалы приводит к высвобождению биологически активного NO при воздействии водной среды (DeRosa et al., 2007). Было проведено несколько исследований, показывающих увеличение скорости заживления ран из-за доставки NO в микроокружение раны (Blecher et al., 2012; Han et al., 2012). Биопленки P. aeruginosa, E. coli, S. aureus, S. epidermidis и Candida albicans были сформированы in vitro и подвергались воздействию NO-высвобождающих НЧ кремнезема, что показало степень уничтожения более 99% (Hetrick и др., 2009). Интересно отметить, что эндогенный NO может фактически защищать бактерии от антибиотиков и других микроорганизмов (Гусаров и др., 2009). NO-опосредованная устойчивость достигается как за счет химической модификации токсичных соединений, так и за счет снижения окислительного стресса, вызываемого многими антибиотиками. Таким образом, ингибирование бактериальной NO-синтазы может быть подходящей целью в будущем для усиления противомикробной терапии.

Зеленые синтезированные наночастицы

Зеленый синтез НЧ включает использование растительных продуктов или экстрактов, которые менее дороги и менее вредны для окружающей среды, чем обычно используемые стандартные физико-химические методы (Макаров и др., 2014). Генипин получают из генипозида с использованием фермента β-глюкозидазы, который экстрагируется из Penicillium nigricans . Генипин, сшитый с хитозаном, вместе с ПЭГ и НЧ серебра смешивают в нанокомпозит для улучшения заживления ран и высокой антимикробной активности (Liu et al., 2012). Было показано, что составленные НЧ серебра с использованием экстракта корня Coleus forskohlii эффективны при заживлении полнослойных иссеченных ран у самцов крыс-альбиносов Wistar (Naraginti et al., 2016). НЧ серебра получали в модифицированной октадециламином монтмориллонитовой глине, которую смешивали с экстрактами из Homalomen aromatica , затем смешивали с гиперразветвленной эпоксидной смолой для создания нанокомпозита серебра для заживления ран (Barua et al., 2015). Этот нанокомпозит служил эффективным каркасом для заживления ран с присущими ему антимикробными свойствами.

Липидные наночастицы

НЧ на основе липидов породили целую область липидных нанотехнологий (Mashaghi et al., 2013). Липосомы представляют собой универсальную систему доставки лекарств из-за простоты доставки белка, биосовместимости, внутриклеточной доставки, модуляции размера, заряда и свойств поверхности (Safinya and Ewert, 2012). Было показано, что потеря корецепторов фактора роста при диабетическом заболевании приводит к устойчивости к факторам роста (Das et al., 2014), что может препятствовать эффективности лечения факторами роста для индукции ангиогенеза и заживления ран. Один из методов преодоления этого сопротивления — доставка корецепторов в протеолипосому вместе с факторами роста.Это было протестировано на модели мышей с диабетом и показало улучшенное заживление диабетических ран (Das et al., 2016a, c) и усиление ишемической реваскуляризации (Jang et al., 2012; Das et al., 2014, 2016b; Monteforte et al., 2016) (рисунок 5). Существуют различные другие липидные НЧ, которые оказались многообещающими для лечения заболеваний периферических сосудов и критической ишемии конечностей, обзор которых был дан в другом месте (Tu et al., 2015). Твердые липидные наночастицы (SLN) — это новая фармацевтическая система доставки с твердым липидным ядром, стабилизированным поверхностно-активными веществами, которые могут солюбилизировать липофильные молекулы.Эти SLN были протестированы на предмет доставки биоактивных молекул, таких как опиоиды, такие как морфин (Kuchler et al., 2010b), ресвератрол (Gokce et al., 2012) и сульфадиазин серебра (Sandri et al., 2013), для заживления ран (Kuchler et al., др., 2009, 2010а). Экзосомы — это еще одна форма липидных НП, продуцируемых клетками, и было показано, что они эффективны для заживления ран (Rani and Ritter, 2015).

Рис. 5. Доставка корецепторов с факторами роста в липидные нанолипосомы для улучшения заживления диабетических ран.(A) Экспрессия белка синдекана-4 в тканях человека, страдающих диабетом и недиабетом. Бар = 25 мкм. (B) Макроскопическое изображение дорсальной поверхности мыши с эксцизионными ранами, обработанными обработками в течение 2 недель. (C) Количественная оценка площади открытой раны в течение 2 недель после операции с различными видами лечения. (D) Схематическое изображение совместной доставки синдекана-4 в нанолипосомы с FGF-2, инкапсулированным в альгинатные повязки на рану, и результаты исследования. (A – D) воспроизведены с разрешения Das et al. (2016a). (E) Гистологические срезы ран, обработанных различными методами, окрашенными гематоксилином и эозином. (F) Количественная оценка площади открытой раны в течение 2 недель после операции с различными видами лечения. (G) Иммунофлуоресцентные изображения срезов раневого ложа, окрашенные альфа-актином гладких мышц (зеленый), PECAM (красный) и DAPI (синий). (E – G) воспроизведены с разрешения Das et al.(2016c).

Полимерные наночастицы

Повязки для ран, содержащие НЧ диоксида титана, покрытые хитозаном и пектином, обладают противомикробным действием и, как было показано, обладают отличными ранозаживляющими свойствами (Archana et al., 2013). Синергетические эффекты с повязкой, такие как антибактериальная активность, высокие свойства набухания, высокая скорость передачи паров влаги, гидрофильная природа, биосовместимость, внешний вид раны и повышенная скорость заживления ран, делают наночастицы титана подходящим кандидатом для применения в заживлении ран.Факторы роста важны для обеспечения здорового заживления ран. Однако период полужизни факторов роста в микроокружении раны значительно сокращается из-за присутствия различных протеолитических ферментов, включая ММП (Murphy and Nagase, 2008). Инкапсуляция факторов роста в полимерные НЧ повышала стабильность, сохраняла биоактивность и способствовала замедленному высвобождению факторов роста. В настоящее время PDGF-BB является единственным фактором роста, одобренным FDA для лечения язв диабетической стопы, что делает терапию на основе PDGF еще более трансляционной.Пористые НЧ на основе гиалуронана, обогащенные PDGF-BB, показали высокую эффективность для лечения язв в плацебо-контролируемом исследовании на крысах (Zavan et al., 2009). Фактор роста фибробластов-2 (FGF-2) был успешно микрокапсулирован в желатин, сохраняющий биологическую активность, что позволяет использовать его в тканевой инженерии, терапевтическом ангиогенезе, генной терапии и доставке лекарств (Young et al., 2005). EGF является мощным митогеном для кератиноцитов, который, как было показано, эффективен при заживлении язв желудка при доставке через повязку на основе поли-l-молочной кислоты (Han et al., 2001).

Наночастицы в клиническом использовании

Наночастицы серебра

Терапия на основе наночастиц при уходе за ранами является относительно новой по сравнению с традиционными биоматериалами, которые используются уже несколько десятилетий. Серебро использовалось с древнеримских времен и теперь используется в биомедицинских устройствах (de Alwis Weerasekera et al., 2015). Мази / кремы на основе НЧ серебра, пожалуй, наиболее широко используются в первую очередь из-за антимикробных свойств нанокристаллического серебра (Griffith et al., 2015). НЧ серебра или нанокристаллы в геле для местного применения используются для ухода за влажными ранами и способствуют заживлению косметических средств, обладают эффективными антибактериальными свойствами и играют роль в модуляции цитокинов и подавлении воспаления (Tian et al., 2007; Jain et al., 2009; Риго и др., 2013). Как правило, они показаны при небольших порезах, ссадинах, рваных ранах, кожных раздражениях и ожогах первой или второй степени. Хотя механизмы, лежащие в основе антибактериального действия серебра, до сих пор полностью не изучены, несколько предыдущих отчетов показали, что взаимодействие между серебром и составляющими бактериальной мембраны вызывает структурные изменения и повреждение мембран и внутриклеточную метаболическую активность, что может быть причиной или следствие гибели клеток (McDonnell and Russell, 1999; Sondi, Salopek-Sondi, 2004; Pal et al., 2007; Eckhardt et al., 2013). Однако длительное воздействие коллоидного серебра может привести к аргирии, когда кожа приобретает серо-голубой цвет из-за накопленного серебра (Rice, 2009). Есть несколько вариантов кремов, гелей или мазей, содержащих серебро, которые доступны от разных компаний. Лечения на основе серебряных NP недороги, обладают низкой системной токсичностью и эффективны против вирусных и бактериальных инфекций, но имеют ограниченное влияние на улучшение процесса заживления ран в условиях хронической раны (Gunasekaran et al., 2011).

Заключение

Биоматериалы использовались для заживления ран со времен возникновения египетской цивилизации, но только в последние два десятилетия НЧ стали чрезвычайно важными в разработке эффективной стратегии лечения. Биоматериалы успешно используются в производстве клинически одобренных продуктов для облегчения заживления ран, таких как пленки, пены, вафли, гидрогели, кровоостанавливающие средства, герметики и композитные повязки. Однако в настоящее время нет одобренных биоматериалов, которые выделяют биоактивные компоненты (например, факторы роста, цитокины, хемокины, плазмиды, рекомбинантные белки, небольшие молекулы, клеточная терапия и т. Д.)), которые напрямую влияют на каскад заживления ран. Здесь мы рассмотрели биоматериалы, используемые в клинике и находящиеся в стадии доклинической разработки. Мы взволнованы потенциалом разрабатываемых биоматериалов, особенно тех, которые инкапсулируют биоактивные соединения или клеточную терапию. С другой стороны, терапия НП не использовалась широко в клинике, за исключением НЧ серебра. Однако, как мы обсуждали в статье, существует множество убедительных методов лечения НП, которые показали большой потенциал на животных моделях.

С появлением технологии CRISPR-Cas9 было бы интересно посмотреть, как ученые применяют эту замечательную технологию редактирования генов для создания микросреды раны (Jinek et al., 2012; Cho et al., 2013; Cong et al., 2013 ; Mali et al., 2013; Sander, Joung, 2014). Есть много генов, которые участвуют в регуляции процесса заживления ран, и модели заживления ран были протестированы только на нескольких моделях мутантных мышей. Технология CRISPR-Cas9 сокращает время создания «нокаутной мыши» с нескольких месяцев до нескольких недель, что позволяет исследователям задавать различные вопросы.Общая цель будет заключаться в достижении заживляющих свойств ран у плода при заживлении ран у взрослых с полной регенерацией волос и желез без задержки и рубцевания.

Уход за ранами — это серьезное экономическое и социальное бремя как для пациентов, так и для системы здравоохранения в целом. В этом обзоре мы обсудили различные методы лечения ран на основе биоматериалов и NP, которые либо используются в настоящее время в клинической практике, либо находятся в стадии доклинической разработки. Поскольку симптомы у пациентов сильно различаются, эффективные методы лечения ран должны иметь многосторонний подход для решения сложных проблем боли, воспаления, инфекции, вызванной резистентными бактериями, замедленного заживления и связанных с этим затрат для систем здравоохранения и населения. по всему миру.Стремительный рост числа бактерий с множественной лекарственной устойчивостью станет самой большой проблемой для специалистов по уходу за ранами во всем мире в этом десятилетии. Новые методы лечения с использованием биоматериалов или наночастиц для нацеливания на несколько аспектов имеют большие перспективы для улучшения ухода за ранами и добавят к клиническому арсеналу для лечения плохо заживающих ран.

Авторские взносы

SD и ABB написали и отредактировали статью.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Финансирование

Авторы выражают признательность за поддержку через Фонд Велча (F-1836) и грант директора NIH New Innovator (1DP2 OD008716-01) для AB.

Список литературы

Acosta, J. B., Savigne, W., Valdez, C., Franco, N., Alba, J. S., Del Rio, A., et al. (2006). Инфильтрация эпидермального фактора роста внутри очага поражения может предотвратить ампутацию у пациентов с ранними стадиями диабетической стопы. Int. Рана J. 3, 232–239. DOI: 10.1111 / j.1742-481X.2006.00237.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ага Р., Огава Р., Пьетрамаджори Г. и Оргилл Д. П. (2011). Обзор роли механических сил в заживлении кожных ран. J. Surg. Res. 171, 700–708. DOI: 10.1016 / j.jss.2011.07.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аксой, Б., Аксой, Х. М., Сивас, Э., Устун, Х., Атакан, Н. (2009). Новая экспериментальная модель замедленного заживления ран у кроликов. Eur. J. Dermatol. 19, 565–569. DOI: 10.1684 / ejd.2009.0788

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аларкон, Э. И., Удекву, К. И., Ноэль, К. В., Ганьон, Л. Б., Тейлор, П. К., Вулесевич, Б. и др. (2015). Безопасность и эффективность композитных гидрогелей наночастиц коллагена и серебра в качестве каркасов тканевой инженерии. Наноразмер 7, 18789–18798. DOI: 10.1039 / c5nr03826j

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эллисон, К.Р., Бринильдсен, М. П., и Коллинз, Дж. Дж. (2011). Уничтожение персистеров бактерий с помощью аминогликозидов с помощью метаболитов. Природа 473, 216–220. DOI: 10.1038 / nature10069

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эндрюс, К. Л., Хоудек, М. Т., и Кимеле, Л. Дж. (2015). Лечение ран хронических язв диабетической стопы: от основ до регенеративной медицины. Протет. Orthot. Int. 39, 29–39. DOI: 10.1177 / 0309364614534296

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Арчана, Д., Датта, Дж., И Датта, П. К. (2013). Оценка хитозановой наноповязки для заживления ран: характеристика, исследования in vitro и in vivo. Int. J. Biol. Макромол. 57, 193–203. DOI: 10.1016 / j.ijbiomac.2013.03.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Армстронг, Д. Г., Канда, В. А., Лавери, Л. А., Марстон, В., Миллс, Дж. Л. старший, и Бултон, А. Дж. (2013). Обратите внимание на пробел: несоответствие между финансированием исследований и стоимостью лечения язв диабетической стопы. Уход за диабетом 36, 1815–1817. DOI: 10.2337 / DC12-2285

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Арора С., Джайн Дж., Раджваде Дж. М. и Пакникар К. М. (2008). Клеточные ответы, вызванные наночастицами серебра: исследования in vitro. Toxicol. Lett. 179, 93–100. DOI: 10.1016 / j.toxlet.2008.04.009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ашарани, П. В., Лиан Ву, Ю., Гонг, З., и Валияветтил, С. (2008). Токсичность наночастиц серебра в моделях рыбок данио. Нанотехнологии 19, 255102. DOI: 10.1088 / 0957-4484 / 19/25/255102

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аша Рани, П. В., Лоу Ках Ман, Г., Ханде, М. П., и Валияветтил, С. (2009). Цитотоксичность и генотоксичность наночастиц серебра в клетках человека. ACS Nano 3, 279–290. DOI: 10.1021 / nn800596w

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Assembly, W.H. (2015). Глобальный план действий по устойчивости к противомикробным препаратам .Женева: Всемирная организация здравоохранения.

Google Scholar

Айелло, Э. А. (2005). Что говорит рана? Почему определение этиологии важно для надлежащего ухода за раной. Adv. Уход за кожными ранами 18, 98–109; викторина 110–111.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Бэнкс В., Бейл С., Хардинг К. и Хардинг Э. Ф. (1997). Оценка новой повязки из пенополиуретана. J. Уход за ранами 6, 266–269.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Бану, А., Ноорул Хассан, М. М., Раджкумар, Дж., И Шриниваса, С. (2015). Спектр бактерий, связанных с язвой диабетической стопы и образованием биопленок: проспективное исследование. Australas Med. J. 8, 280–285. DOI: 10.4066 / AMJ.2015.2422

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баруа, С., Чаттопадхьяй, П., Эйдью, Л., Бурагохейн, А. К., и Карак, Н. (2015). Инфекционно-устойчивый сверхразветвленный эпоксидный нанокомпозит как основа для регенерации кожных тканей. Polym.Int. 64, 303–311. DOI: 10.1002 / pi.4790

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баум, Т. М., и Бусуито, М. Дж. (1998). Использование гелевого покрытия на основе глицерина при лечении рубцов. Adv. Уход за раной 11, 40–43.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Белл, Б. Г., Шеллевис, Ф., Стобберинг, Э., Гуссенс, Х., Прингл, М. (2014). Систематический обзор и метаанализ влияния потребления антибиотиков на устойчивость к антибиотикам. BMC Infect.Dis. 14:13. DOI: 10.1186 / 1471-2334-14-13

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Биркедал-Хансен, Х., Мур, В. Г., Бодден, М. К., Виндзор, Л. Дж., Биркедал-Хансен, Б., Декарло, А. и др. (1993). Матричные металлопротеиназы: обзор. Crit. Rev. Oral Biol. Med. 4, 197–250.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Блэр, Дж. М., Уэббер, М. А., Бейлай, А. Дж., Огболу, Д. О., и Пиддок, Л. Дж. (2015). Молекулярные механизмы устойчивости к антибиотикам. Nat. Rev. Microbiol. 13, 42–51. DOI: 10.1038 / nrmicro3380

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блечер, К., Мартинес, Л. Р., Такман-Вернон, К., Начараджу, П., Шайрер, Д., Чуак, Дж. И др. (2012). Наночастицы, высвобождающие оксид азота, ускоряют заживление ран у мышей NOD-SCID. Наномедицина 8, 1364–1371. DOI: 10.1016 / j.nano.2012.02.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боатенг, Дж.С., Павар, Х. В., и Теттех, Дж. (2013). Композитная пленочная повязка на основе полиокса и каррагинана, содержащая антимикробные и противовоспалительные препараты для эффективного заживления ран. Int. J. Pharm. 441, 181–191. DOI: 10.1016 / j.ijpharm.2012.11.045

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брански, Л. К., Гауглиц, Г. Г., Херндон, Д. Н., и Йешке, М. Г. (2009). Обзор генной терапии и терапии стволовыми клетками при заживлении кожных ран. Бернс 35, 171–180.DOI: 10.1016 / j.burns.2008.03.009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брайан Л. Э. и Ван ден Эльзен Х. М. (1977). Влияние мембранно-энергетических мутаций и катионов на накопление стрептомицина и гентамицина бактериями: модель проникновения стрептомицина и гентамицина в чувствительные и устойчивые бактерии. Антимикробный. Агенты Chemother. 12, 163–177. DOI: 10.1128 / AAC.12.2.163

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бринилдсен, М.П., Винклер, Дж. А., Спина, К. С., Макдональд, И. К., и Коллинз, Дж. Дж. (2013). Усиление антибактериальной активности за счет предсказуемого увеличения выработки эндогенных микробных АФК. Nat. Biotechnol. 31, 160–165. DOI: 10.1038 / NBT.2458

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бухбергер Б., Фоллманн М., Фрейер Д., Хуппертц Х., Эм А. и Васем Дж. (2011). Доказательства использования факторов роста и активных заменителей кожи для лечения неинфицированных язв диабетической стопы (DFU): оценка медицинских технологий (HTA). Exp. Clin. Эндокринол. Диабет 119, 472–479. DOI: 10.1055 / с-0031-1279713

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кальдерини, К., Чиони, Ф., Хаддоуб, С., Макканелли, Ф., Маготти, М. Г., и Тардио, С. (2014). Терапевтический подход к осложнениям «диабетической стопы». Acta Biomed. 85, 189–204.

Google Scholar

Каслберри, С. А., Алмквист, Б. Д., Ли, В., Рейс, Т., Чоу, Дж., Майнер, С. и др. (2015). Самостоятельно собранные повязки на раны заглушают MMP-9 и улучшают заживление диабетических ран in vivo. Adv. Mater. 28, 1809–1817. DOI: 10.1002 / adma.201503565

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чакраборти, С. П., Саху, С. К., Махапатра, С. К., Сантра, С., Бал, М., Рой, С. и др. (2010). Наноконъюгированный ванкомицин: новые возможности для разработки агентов против VRSA. Нанотехнологии 21, 105103. DOI: 10.1088 / 0957-4484 / 21/10/105103

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чандика П., К.О., С. К. и Юнг В.К. (2015). Биологические биоматериалы на основе макромолекул морского происхождения для заживления ран и регенерации кожных тканей. Int. J. Biol. Макромол. 77, 24–35. DOI: 10.1016 / j.ijbiomac.2015.02.050

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст |

Новый подход к заживлению ран может быть легким для кожи, но тяжелым для бактерий — ScienceDaily

В презентации на заседании Американского химического общества Анкит Агарвал, доктор наук, исследователь из Университета Висконсин-Мэдисон, описал экспериментальный подход для заживления ран, которые могут использовать антибактериальные свойства серебра, в то же время избегая повреждений, которые серебро может нанести клеткам, необходимым для заживления.

Серебро широко используется для предотвращения бактериального заражения раневых повязок, говорит Агарвал, «но эти повязки содержат очень большое количество серебра, которое может убить множество клеток в ране».

Заживление ран — особая проблема при диабете, когда плохое кровоснабжение, препятствующее заживлению, может потребовать ампутации, а также в ожоговых палатах. Агарвал говорит, что некоторые ожоговые хирурги избегают серебряных повязок, несмотря на их постоянную озабоченность инфекциями.

Используя новый подход, Агарвал создал ультратонкий материал, содержащий точную дозу серебра.Один квадратный дюйм содержит всего 0,4 процента серебра, которое содержится в обработанных серебром антибактериальных повязках, которые сейчас используются в медицине.

В тестах в лабораторных чашках низкая концентрация серебра убила 99,9999 процентов бактерий, но не повредила клетки, называемые фибробластами, которые необходимы для заживления раны.

Agarwal создает экспериментальный материал из многослойных полиэлектролитов — сэндвич из ультратонких полимеров, которые сцепляются за счет электрического притяжения. Чтобы приготовить сэндвич, Агарвал поочередно окунает стеклянную пластину в два раствора противоположно заряженных полимеров и, наконец, добавляет точную дозу серебра.

«Эта архитектура очень легко настраивается для различных применений», — говорит Агарвал, поскольку она позволяет точно контролировать такие факторы, как толщина, пористость и содержание серебра. Окончательный сэндвич может иметь толщину от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. (Один нанометр равен одной миллиардной метра; диаметр человеческого волоса составляет около 60 000 нанометров.)

Николас Эбботт, профессор химической и биологической инженерии, который консультирует Агарвала, говорит, что за последнее десятилетие «около миллиарда статей было опубликовано о многослойных полиэлектролитах.Это были огромные инвестиции ученых-материаловедов, и теперь они созрели, чтобы их можно было использовать ».

Проект был поддержан начальным финансированием от Wisconsin Institutes of Discovery — нового подразделения, посвященного развитию технологий в пяти целевых областях, включая тканевую инженерию, — и получен благодаря вкладам Кристофера Мерфи, Джонатана Маканалти и Чарльза Чупрински из Школы медицины UW-Madison. Ветеринария; Рональд Рейнс с кафедры биохимии; и Майкл Шурр, ожоговый хирург из Школы медицины и общественного здравоохранения.

Хотя и клетки млекопитающих, и бактерии чувствительны к серебру, бактерии намного более чувствительны, оставляя золотую середину — концентрацию серебра, которая может убивать бактерии, не повреждая клетки, необходимые для заживления. В тестах с использованием мышиных клеток и образцов бактерий Агарвал настроил дозу, чтобы найти золотую середину, где серебряная пуля уничтожает 99,9999 процентов бактерий, но не вредит фибробластам.

Действительно, система настолько чувствительна, что увеличение дозы серебра с 0.От 4 до 1 процента от уровня, используемого в коммерческой повязке, серьезно повреждает фибробласты.

Чтобы убить бактерии, серебро должно принимать форму заряженных частиц или ионов, а крошечные наночастицы серебра, которые Агарвал внедряет в сэндвич, могут быть предназначены для высвобождения ионов в течение нескольких дней или недель по мере необходимости. Напротив, по словам Агарвала, имеющиеся в продаже перевязочные материалы для ран содержат большую дозу ионов серебра, которые высвобождаются быстрее и с меньшим контролем.

Требуемая доза серебра также может быть уменьшена, поскольку новый материал будет разработан таким образом, чтобы оставаться в тесном контакте с раной, говорит Эбботт.«В коммерческой повязке серебро является частью повязки, которая накладывается на поверхность раны. Мы предполагаем, что этот материал включается в рану; клетки будут расти поверх нее, и в конечном итоге он распадется и будет поглощен организмом, в значительной степени как рассасывающийся шов «.

Испытания на животных потребуются, прежде чем новый материал можно будет испытать на людях, говорит Эбботт. «Коммерческая повязка должна иметь большое количество серебра, чтобы оно могло диффундировать в ложе раны, и это количество оказывается токсичным для клеток млекопитающих в лабораторных чашках.Мы помещаем серебро туда, где оно нам нужно, поэтому мы можем использовать небольшую загрузку серебра, которое не проявляет токсичности для клеток млекопитающих, потому что серебро точно нацелено ».