Умный пластырь полечит рану электричеством и отклеится по команде

Американские исследователи разработали и доклинически испытали беспроводной умный пластырь для мониторинга состояния раны и ее электростимуляции с целью ускорения заживления. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Biotechnology.

Хронические незаживающие раны, которые не закрываются в течение 8–12 недель, представляют серьезную проблему для общественного здравоохранения, поскольку связаны с потерей функции и подвижности пораженной части тела; социальным стрессом, изоляцией, депрессией и тревожностью; длительной госпитализацией; повышением общих заболеваемости и смертности. Только в США они возникают более чем у шести миллионов человек и обходятся более чем в 25 миллиардов долларов в год. В норме заживление ран проходит этапы воспаления, формирования новой ткани и ремоделирования, в которых задействованы разные типы клеток. При глубоких повреждениях тканей (например, при ожоге, обморожении, раневой инфекции) или сопутствующих состояниях (таких как сахарный диабет и другие метаболические расстройства, генерализованные инфекции, ишемия, иммуносупрессия, радиационное поражение) эти процессы нарушаются, и раны долго не заживают.

Современные методы лечения таких повреждений, включающие использование факторов роста, внеклеточного матрикса, биоинженерной кожи и отрицательного давления, обладают умеренной эффективностью. Для ее повышения разные научные группы создают умные пластыри, которые помогают следить за состоянием раны (кислотностью, температурой, оксигенацией, электрическим сопротивлением, механическими движениями, активностью ферментов) в реальном времени или выполнять те или иные терапевтические воздействия. Функциональность большинства таких разработок ограничена, кроме того, их применение сопряжено с риском вторичного травмирования тканей при отклеивании устройства.

Чтобы совместить преимущества сенсорных и терапевтических умных пластырей в одном устройстве, сотрудники Стэнфордского университета под руководством Чжэньаня Бао (Zhenan Bao) и Джеффри Гёртнера (Geoffrey Gurtner) разработали беспроводную гибкую биоэлектронную систему с управляемой адгезией. В качестве основы они использовали 100-микрометровый слой биосовместимого проводящего плотного гидрогеля из поли(N-изопропилакриламида-ко-акриламида) и поли(3,4-этилендиокситиофена):полистиролсульфоната (PNIPAM-ran-AAm и PEDOT:PSS), который хорошо приклеивается к коже при комнатной температуре, но теряет липкость при нагревании до 40 градусов Цельсия.

На гидрогелевой подложке закрепили миниатюрную гибкую печатную плату (FPCB), содержащую антенну для беспроводного электропитания с резонансной частотой 13,56 мегагерца; микроконтроллер; модули памяти; кристаллический осциллятор, датчики и фильтры для непрерывной двухканальной регистрации температуры и электрического сопротивления тканей путем ближней бесконтактной связи (NFC) по протоколу ISO 15693; параллельный контур для программируемой электростимуляции раны с целью ускорения ее заживления. Как показали предыдущие исследования, токи с определенными характеристиками уменьшают бактериальную колонизацию раны и формирование биопленок, а также улучшают перфузию тканей и вызывают гальванотаксис кератиноцитов (клеток эпидермиса) и фибробластов (клеток соединительной ткани), закрывающих дефект кожи.

Доклинические испытания гибридного умного пластыря на мышах показали, что он не ограничивает движения животных, на вызывает раздражения кожи при непрерывном ношении в течение 15 дней и обеспечивает стабильный непрерывный мониторинг температуры и сопротивления. При искусственно нанесенных порезах у здоровых мышей и со стрептозотоциновой моделью сахарного диабета, а также при ожогах электростимуляция с помощью устройства обеспечивала примерно 25-процентное ускорение заживления и 50-процентное улучшение ремоделирования кожи по сравнению с обычной стерильной перевязкой. В частности, умный пластырь повышал толщину кожного покрова на ране, синтез в ней коллагена, число новых микрососудов, экспрессию PECAM-1 (молекулы 1 тромбоцитарной и эндотелиальной клеточной адгезии, CD31) и гладкомышечного альфа-актина (маркера миофибробластов). Кроме того, устройство распознавало развитие раневой инфекции на ранних стадиях и автоматически модулировало лечение по принципу обратной связи.

Хотя о гальванотаксисе кератиноцитов и фибробластов под действием электростимуляции было известно, ее действие на иммунные клетки, служащие критическим регулятором всех стадий заживления раны, практически не изучалось. Чтобы разобраться в этом вопросе, авторы работы использовали модель парабиоза (хирургического объединения кровеносных систем) обычных мышей с ранами и тренсгенных, экспрессирующих зеленый флуоресцентный белок (GFP). На пятый день терапии умным пластырем в основной группе или без нее в контрольной забирали образцы тканей из ран и выполняли секвенирование РНК одиночных клеток (scRNA-seq). Наибольшее число дифференциально экспрессируемых под действием электростимуляции генов наблюдалось в моноцитах и макрофагах. Более детальное изучение этих клеток выявило в них повышенную экспрессию генов CD74, SELENOP, APOE, MRC1, CD163 и FABP5, вовлеченных в процессы регенерации тканей.

Авторы работы отмечают, что проведенные на демонстрационных образцах умного пластыря испытания служат лишь подтверждением концепции. Для его внедрения в клиническую практику и массового производства необходимо решить ряд проблем, таких как масштабирование размеров для лечения обширных повреждений, снижение цены и обеспечение долговременного хранения данных, а также, возможно, добавление сенсоров, регистрирующих pH, уровни метаболитов и биомаркеров, что и планируется сделать на следующих этапах разработки.

В 2018 году другая американская исследовательская группа представила умный пластырь с датчиками температуры и pH, который при необходимости высвобождает в рану антибиотик широкого спектра действия. Также созданы несколько прототипов электронных пластырей для измерения уровня глюкозы в крови и введения сахароснижающего препарата, а также регистрации скорости кровотока.