Биоинженерная ткань предназначена для лечения болезни Пейрони и травм органа
Китайские и американские исследователи разработали искусственную белочную оболочку полового члена, которая предназначена для лечения травм и деформаций этого органа. Предварительные испытания бионического материала на свиньях дали хорошие результаты. Отчет о работе опубликован в журнале Matter.
Белочная оболочка (tunica albuginea) пениса представляет собой плотную и эластичную ткань, в которую заключены пещеристые тела. Она состоит в основном из волнистых коллагеновых волокон (с примесью примерно пяти процентов эластиновых), расположенных в два слоя: в наружном — продольно, во внутреннем — циркулярно. Когда пещеристые тела наполняются кровью, обеспечивая эрекцию, волокна белочной оболочки постепенно распрямляются и натягиваются, превращая ее в гидростатический каркас органа. При некоторых травмах полового члена (преимущественно эрегированного) или, реже, заболеваниях эта оболочка разрывается. Образующаяся после этого рубцовая ткань может привести к тяжелой деформации органа, которая затрудняет или полностью исключает проведение полового акта. Схожее состояние наблюдается при болезни Пейрони, когда твердая бляшка из рубцовой ткани формируется в белочной оболочке в результате длительного локального воспаления неуточненной природы. Реконструктивные операции в таких ситуациях сложны и не всегда приводят к желаемому результату.
Чтобы повысить успешность хирургического лечения повреждений белочной оболочки пениса, сотрудники четырех китайских научных учреждений и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством Сюэтао Ши (Xuetao Shi) из Южно-китайского технологического университета создали бионическую ткань, приближенную по свойствам к природной. За основу взяли гибкий и прочный поливиниловый спирт (PVA), который биологически инертен и одобрен к применению в пищевой и медицинской промышленности.
Сначала исследователи несколько раз замораживали и размораживали водный раствор низко- и высокомолекулярного PVA, чтобы получить его изотропный гидрогель, волокна которого представляют собой однородную пористую сеть. Затем его растянули в три раза, выровняв волокна в продольном направлении, и погрузили на сутки в 15-процентный раствор триметафосфата натрия (STMP) при pH = 12, чтобы сшить их поперечными ковалентными связями. После высушивания и регидратации раствором фосфатного буфера получился лоскут из анизотропного гидрогеля PVA. Формирование волокон нужной ориентации контролировали с помощью инфракрасной Фурье-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии и малоуглового нейтронного рассеяния.
Чтобы обеспечить прочность бионической ткани по всем векторам натяжения, исследователи использовали принцип устройства природной белочной оболочки. Два слоя анизотропного PVA наложили так, чтобы их волокна были перпендикулярны друг другу, и склеили их раствором PVA и STMP. Образец получившейся бионической ткани площадью примерно 2,5 квадратного сантиметра выдерживал нагрузку более двух килограмм без разделения слоев.
Дальнейшие механические испытания искусственной белочной оболочки (artificial tunica albuginea, ATA) показали, что по своим характеристикам она близка к натуральной ткани, быстро уплотняясь при растяжении в полтора раза. У ATA толщиной в миллиметр давление разрыва составило 71,5 килопаскаля, что значительно превышает давление в пещеристых телах человека при эрекции (5,1–31,5 килопаскаля). Надрезанный образец бионической ткани выдерживал циклическое растяжение в два раза без разрыва. После 200 циклов растяжения в полтора раза за наложенные хирургические швы прошитые отверстия остались без видимых изменений, прочность ткани при этом значимо не снизилась.
После этого исследователи создали модель полового члена из продолговатого воздушного шарика в чехле из ATA. С ее помощью они выяснили, что вертикальное пересечение волокон в слоях ATA (такое как в природной ткани) обеспечивает значительно лучшую устойчивость на изгиб, чем спиральное (при котором волокна ориентированы под углом в 45 градусов по сравнению с вертикальным). Эффективность заплатки из искусственной белочной оболочки для обеспечения эрекции после повреждения продемонстрировали в экспериментах на изолированных свиных пенисах.
Проверки ATA на тест-системах с фибробластами и свежей кроличьей кровью показали низкую цитотоксичность и тромбогенность материала соответственно. На 30-й и 60-й день после имплантации искусственной белочной оболочки под кожу лабораторных крыс чрезмерных воспалительных реакций и фиброза не наблюдалось, что свидетельствует о ее биосовместимости.
В заключение исследователи провели эксперимент на минипигах породы бама, пенис которых обладает близкими к человеческому характеристиками. На белочной оболочке животных сделали квадратные вырезы со стороной примерно в восемь миллиметров. У части из них дефект просто ушили хирургическими швами, остальным поставили заплаты из ATA. Затем в пещеристые тела вводили изотонический раствор хлорида натрия и наблюдали за эрекцией, записывая процесс на видео. После простого ушивания она происходила с выраженным изгибом полового члена, а с использованием ATA не отличалась от нормальной.
Через месяц после операции из пенисов свиней изготовили гистологические препараты с окраской по Массону и гематоксилином-эозином. После ушивания в них визуализировались гематома и фиброз, свидетельствующие о плохом заживлении раны и возможном развитии болезни Пейрони. При использовании ATA патологического фиброза не наблюдалось.
Исследователи отметили, что подобный подход не ограничивается белочной оболочкой пениса, а может применяться для создания бионических аналогов многих других тканей, которые должны выдерживать большую нагрузку.
Ранее определенных успехов в восстановлении различных структур полового члена (белочной оболочки, пещеристых тел, уретры) у животных удавалось добиться методом тканевой инженерии. Возможность использования стволовых клеток в лечении болезни Пейрони демонстрировали в доклинических испытаниях, было предпринято несколько попыток применить их у людей. При более серьезных повреждениях пениса или полном его отсутствии на помощь могут прийти фаллопластика или трансплантация.