Искусство регенерации

Человек не обладает способностью к быстрому и полному восстановлению поврежденных участков органов или тканей, из которых они состоят. Однако в ходе развития науки медицины врачи научились ускорять механизм заживления ран. Не последнюю роль в процессе регенерации играют перевязки. До недавнего времени для этих целей использовали исключительно марлевые бинты, которые при подсыхании раны намертво врастали в нее, превращая каждую перевязку в пытку. Изобретение и внедрение в хирургию новых перевязочных средств на основе парафина и различных полимерных материалов не только ускорили процесс выздоровления, но и облегчили страдания пациентов.

 

 

К счастью, большинство ран, которые в течение жизни человек наносит себе своими же руками –– ссадины, занозы, царапины или легкие ожоги, — не представляют опасности для его здоровья и через некоторое время заживает. Процесс их заживления состоит из определенной последовательности клеточных и молекулярных взаимодействий. При таких ранах особого лечения, кроме дезинфекции и наложения бинта, как известно, не требуется. Но и беззаботно относиться, например, к порезам и, соответственно, небольшим кровотечениям нельзя. Хирургам, занимающимся в том числе вскрытием разного рода абсцессов, известно множество случаев, когда воспаление раневого процесса происходило вследствие невежества пациента, его самонадеянности и самолечения.

Существуют, как известно, и другие раны, изначально представляющие опасность для здоровья человека. Специалисты подразделяют их на колотые, резаные, рубленые, рваные, ушибленные, размозженные, укушенные и огнестрельные. Все они лечатся в зависимости от степени повреждения тканей и органов. Проблемными бывают и хронические раны, например, при трофических язвах на ногах, при диабете или осложнениях при ожогах. В этих случаях последовательность клеточного и молекулярного взаимодействия нарушается и раневой процесс останавливается на одной из фаз.

В общих чертах фазы раневого процесса были известны в начале прошлого века, однако его клеточные и молекулярные механизмы стали понятны совсем недавно. В ходе первой короткой фазы «идеального» процесса восстановления, длящейся около 10 минут, происходит сворачивание крови с образованием фибринового сгустка за счет активации тромбоцитов –– первых клеточных элементов, участвующих в процессе заживления раны.

Следующая фаза –– воспаление, продолжается обычно от 5 до 7 дней. В ходе этого этапа в процесс заживления вовлекаются различные типы клеток крови, такие как лимфоциты, нейтрофилы и макрофаги. Одной из функций последних является борьба с раневой инфекцией, а также удаление остатков разрушенной ткани.

Заключительную фазу раневого процесса, происходящую, как правило, в течение нескольких недель, называют пролиферативной. В этот период формируются новая соединительная ткань, кровеносные сосуды и эпидермальные клетки полностью покрывают раневую поверхность.

На практике же картина регенерации не всегда выглядит столь благоприятно, и происходит это прежде всего из-за раневой инфекции, способной кардинально изменить течение раневого процесса, ведь раневой экссудат (жидкость, выделяемая из раны) — благодатная питательная среда для развития инфекций. Оптимальный солевой состав, физиологическая температура, избыток питательных веществ — все это способствует стремительному развитию патогенной микрофлоры. Даже тогда, когда приняты все необходимые меры для обеспечения стерильности раневой поверхности, инфицирование остается крайне серьезной проблемой и составляет немалую часть среди всех возможных осложнений при хирургических операциях.

Раневой экссудат представляет собой многокомпонентный бульон, в котором присутствуют различные типы клеток, физиологически активные соединения, и прежде всего белки. Именно белки взаимодействуют с рецепторами клеток, запуская множество внутриклеточных реакций, в результате чего происходит синтез новых молекул. Новые молекулы, в свою очередь, вновь взаимодействуют с клетками. При нормальном заживлении раны процессов синтеза больше, чем процессов распада. В случае же возникновения хронических ран между ними устанавливается динамическое равновесие. И подобные раны могут не заживать годами.

Поиски идеального бинта

Экспериментальные работы по исследованию раневых процессов и перевязочных материалов начались лишь в середине ХХ столетия. Ключевой работой в этой области принято считать исследование американца Георга Винтера, опубликованное в 1962 году. Проводя опыты на лабораторных свиньях — с исключением эффекта инфицирования раневой поверхности, ученый доказал, что заживление под перевязочным материалом происходит в два раза быстрее, чем при открытой ране. Так, было показано экспериментально, что роль перевязочных материалов не сводится исключительно к защите от инфекции, что правильно подобранный материал способствует созданию оптимальной среды для успешного процесса заживления. Через год сходные результаты были получены и при лечении ран у человека.

В 1980-х годах были сформулированы основные требования к перевязочным материалам. Во-первых, материал или продукты его распада не должны быть канцерогенами и мутагенами. Во-вторых, у них должна отсутствовать острая и хроническая токсичность, в-третьих, материал не должен вызывать раздражение и аллергию. Кроме этих медико-биологических требований был определен и целый ряд физико-химических параметров. К ним относятся механические характеристики, паро- и влагопроницаемость. Иными словами, материал обязательно должен «дышать», но при этом не пропускать микроорганизмы, обладать способностью сорбировать («очищать») кровь и раневое отделяемое, легко и плотно прилегать к ране, моделируя любой профиль, легко отделяться от раневой поверхности, не разрушая вновь образовавшуюся живую ткань. Ведь именно грубый перевязочный материал –– одна из главных бед, замедляющих процесс выздоровления, когда при удалении бинта травмируется «свежий» эпителий и повреждаются кровеносные сосуды.

Казалось бы, есть полное понимание того, каким должен быть идеальный перевязочный материал, однако почему же до сих пор его не существует? Это объясняется тем, что перечисленные требования практически взаимно исключают друг друга, поскольку сама рана на определенных стадиях заживления ведет себя по-разному. Например, сильно экссудирующие раны необходимо обрабатывать при помощи сильных сорбентов, чего нельзя делать на заключительных стадиях заживления — иначе рана будет высушена. Однако, несмотря на то что создать универсальный бинт пока еще никому не удалось, подобрать перевязочные материалы, адекватные той или иной стадии раневого процесса, вполне реально.

В настоящее время на мировом рынке насчитывается более 2 тысяч наименований самых разнообразных перевязочных материалов. При этом ежегодно проходят успешные испытания и официально регистрируются около полусотни новых торговых марок.

Традиция и новаторство

Все более популярными, наравне с традиционными бинтами на основе хлопка, льна или вискозы, становятся некоторые модификации перевязочных материалов с покрытиями. Например, пористая марля, покрытая мягким парафином, или же перевязочные материалы, пропитанные физиологически активными веществами. Таким образом к целлюлозным волокнам удалось «подшить» различные антибиотики. Однако «бинты» с антибиотиками абсолютно не пригодны для тех, у кого есть аллергия к этой группе лекарственных препаратов, поэтому в последние годы перевязочные материалы с иммобилизованными антибиотиками не находят широкого применения. Еще одной инновацией стала возможность иммобилизовывать на волокнах протеолитические ферменты, которые способны очищать раны от токсических продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, а также от «остатков» поврежденных тканей.

Следующий вид перевязочных материалов — пленочные покрытия, как правило, представляющие собой тонкие (толщина менее 1 мм) прозрачные мембраны. Материалом для пленок может служить полиуретан или силикон. Часто края таких покрытий для лучшего контакта с неповрежденной кожей обрабатывают специальным адгезивом, обычно акриловым. Такие покрытия применяют для слабо экссудирующих ран, а также на заключительных этапах эпителизации или в случае поверхностных ожогов. Они хорошо моделируют профиль раны и позволяют вести наблюдение за раневым процессом.

В начале 1960-х годов была запатентована удачная гидроколлоидная композиция, состоящая из синтетического полимера, целлюлозы, желатина и пектина. Полимеры, входящие в состав такого перевязочного материала и напоминающие по характеристикам резину, обеспечивали поглощение раневого отделяемого и придавали материалу в целом эластичность. В дальнейшем многие компании воспроизвели и усовершенствовали эту композицию. Гидроколлоиды получили исключительно широкое применение за рубежом. В России гидроколлоидное покрытие «Биокол» на основе фторсодержащих полимеров и полисахаридов было разработано сотрудниками Института биологической физики Академии наук.

Для того чтобы решить проблему совместимости требований к перевязочному материалу, были созданы многослойные покрытия: верхний слой покрытий защищает от инфекций, нижний обеспечивает сцепление с раной. Промежуточный слой выполняет сорбционные функции. Гидроколлоидные покрытия выпускаются обычно в форме многослойных пленок.

Весьма схожи с гидроколлоидами гидрогели. Основой этих биоматериалов являются сильные сорбенты на основе целлюлозы, акриловой кислоты или полиэтиленгликоля, способные удерживать до 95% воды от общего веса. Понятно, что эти материалы применяются для гнойных и сильно экссудирующих ран. Совсем недавно появились углеродные сорбирующие повязки.

Еще один вид перевязочных материалов — коллагеновые, содержат, как понятно из названия, коллаген –— основной структурный белок дермы. Несмотря на прямую направленность материала на заживление раны, сделать эффективный коллагеновый материал, как ни странно, оказалось делом не простым. Сам коллаген изучен биохимиками досконально, но создать устойчивую трехмерную конструкцию с его использованием достаточно трудно. Сшивающие коллаген агенты зачастую оказываются токсичными, а сам материал буквально напоминает подметку. Это объясняется отчасти тем, что многие технологии в производстве перевязочного материала были привнесены из кожевенной промышленности. Другая проблема, связанная с переизбытком коллагена, — это образование келоидных рубцов.

В последние годы в связи с распространением вирусных и тяжелых инфекционных заболеваний в развитых странах резко ужесточились требования к применению белков животного происхождения. Это стимулировало разработку материалов на основе биополимеров растительного происхождения, и прежде всего альгинатов, получаемых из морских водорослей. Сегодня на основе альгината разработано более двух десятков перевязочных материалов. Альгинат может включаться и в гидроколлоидные композиции. В России такое альгинатное покрытие производится около двух десятков лет.

Преемственность знаний

Наверное, самым первым письменным описанием способа лечения ран можно считать актуальное и по сей день упоминание, оставленное шумерами на глиняной табличке, относящееся приблизительно к 2200 году до н. э. Она гласит: «Промой рану, нанеси повязку, закрепи повязку». В Древнем Египте в качестве перевязочного средства широко применяли аналоги традиционных бинтов. Для этого приходилось теребить и распушать природные волокна, получаемые из различных овощей. Сходный метод приготовления повязок из теребленого хлопка или льна продолжал применяться и в XIX столетии. В России такой материал называли корпией (от лат. carpo — «вырываю», «щиплю»). Идея использования клейких (адгезивных) повязок, обеспечивающих более плотный контакт с раной, принадлежит египтянам. Интересно, что для этого они использовали ладан и мирру, специально импортируя их из Восточной Африки. По представлениям древних египтян, смолы, вытекающие из «раны» дерева, передавали свои жизненные силы раненому человеку.

Самые «горячие» разработки

Лечение хронических ран и трофических язв до сих пор остается одной из самых серьезных проблем в медицине. Несколько лет назад для ее разрешения были предприняты попытки создания материалов, включающих в себя ростовые факторы, наличие которых позволило бы сдвинуть раневой процесс с «мертвой точки». Ростовые факторы — это небольшие белковые молекулы, получаемые методами генной инженерии. В 1997 году был выпущен на рынок гель, содержащий тромбоцитарный ростовой фактор, предназначенный для лечения трофических язв различной этиологии.

Парадоксальная и очень смелая идея была высказана в конце 1990-х годов немецкими учеными, предложившими селективно «отлавливать» в раневом отделяемом молекулы, тормозящие процесс заживления. Некоторые из таких молекул на сегодняшний день идентифицированы — это металлопротеиназы, ферменты, которые разрушают вновь синтезируемый коллаген. Но сегодня пока еще трудно сказать, увенчаются ли подобные исследования успехом.

В целом о применении перевязочных материалов можно говорить в двух случаях: когда поврежденные ткани сохраняют регенерационный потенциал и необходимо лишь создать благоприятные условия для деления клеток, и когда в ране полностью нарушено кровоснабжение, разрушена соединительная ткань, что говорит о полном отсутствии так называемых стволовых клеток. Последняя ситуация возникает, например, при ожогах IV степени, когда больному пересаживается лоскут кожи из неповрежденного участка. Если же площадь донорских мест ограниченна, прибегают к единственному на сегодня выходу — созданию аналога кожи методами тканевой инженерии. Иными словами, делают одновременную пересадку и клеток, и внеклеточного матрикса, собранного в пробирке. В этом случае биологический перевязочный материал выполняет не просто защитные функции, он и сам интегрируется в новообразованную кожу.

Тысячелетиями функция перевязочных материалов была охранительной и во многом сводилась лишь к защите от инфекций. Несколько десятилетий назад ученые научились при помощи покрытий управлять процессом заживления раны. И, наконец, в последние годы биологически активные покрытия стали использоваться как материал для вновь синтезируемых тканей. Ожидается, что в самое ближайшее время будут разработаны принципиально новые, адаптивные покрытия-сенсоры, которые призваны регистрировать ход раневого процесса и, в зависимости от происходящего, менять свои характеристики на благо полного и скорейшего выздоровления. В любом случае наука не стоит на месте и разработки по созданию и применению приближающихся к совершенству перевязочных материалов продолжаются самым активным образом.

Природная защита

Кожа состоит из двух основных слоев: верхнего –– эпидермиса и подлежащей под ним дермы. Эпидермис принято относить к эпителиальным типам тканей, а дерму — к соединительным тканям. Область контактов дермы и эпидермиса получила название базальной мембраны. Эпидермис состоит из множества слоев клеток-эпидермоцитов. Количество клеточных слоев может варьироваться в зависимости от локализации кожного участка. Верхний слой эпидермоцитов представляет собой ороговевшие, безъядерные клетки, которые легко отделяются от кожи. Возобновляется же популяция эпидермоцитов за счет деления клеток в нижних слоях. Именно там находятся стволовые клетки, постоянно поддерживающие воспроизводство клеточной популяции. Именно размножение стволовых клеток и определяет характер течения раневого процесса. Дерма (ее толщина от 1 до 3 мм) в основном состоит из внеклеточного матрикса, в котором диффузно распределены различные типы клеток. Основным структурным белком дермы является коллаген. Кроме того, в дерме иммобилизованы различные придатки кожи, например волосяные фолликулы. К дерме подходят нервные окончания и кровеносные сосуды. Далее обычно идет мышечная ткань, которая тоже может повреждаться при ранении.