1 Литературный обзор

В соответствии с темой диссертации в литературном обзоре рассмотрены данные, посвященные месту тканевой инженерии в современной медицине и биотехнологии, свойствам и видам основных биодеградируемых полимеров, применяемых в этих областях.

1. Тканевая инженерия, ее место в современном здравоохранении и перспективы развития

В последние десятилетия вследствие существенного ухудшения экологии все отчетливее стали проявляться тенденции роста заболеваемости людей трудоспособного возраста и быстрого старения населения. Прогресс в медицине настоятельно требует внедрения в клиническую практику инновационных методов восстановительного лечения больных. Одной из перспективных сфер реализации высокотехнологических проектов является нанобиомедицина, важное направление которой  — клеточная, тканевая и генная инженерия — основано на последних достижениях в области молекулярной и клеточной биологии [1].

В основе тканевой инженерии лежит процесс выращивания клеток в биорезорбируемых полимерных матрицах для их трансплантации пациенту взамен поврежденных или утраченных тканей или органов. Использование подобных матриц обеспечивает сохранение межклеточных контактов при создании клеточных продуктов. В зависимости от практических задач к таким полимерам необходимо предъявлять следующие требования: нетоксичность, биосовместимость, простота изготовления полимерных изделий и их достаточная механическая прочность, а также способность полимера резорбироваться в процессе восстановления структуры ткани [2].

Примером тканевой инженерии является использование клеточных имплантов-носителей, или матриксов, задающих структуру новых тканей. Альтернативным вариантом тканевой инженерии является выращивание клеточного материала в виде клеточных суспензий в системе in vitro с целью последующей пересадки на кожные покровы или внутренние органы. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов.

Одно из наиболее перспективных направлений тканевой инженерии основано на формировании тканевых структур на основе стволовых клеток, нанесенных на подложку. Отметим, что создание тканеинженерных кровеносных сосудов требует использования полимерных композитов с повышенной био- и гемосовместимостью, поверхность которых имитирует внешнюю оболочку сосудов [3].

Помимо очевидных биомедицинских преимуществ, клеточные и тканевые технологии являются перспективными и с экономической точки зрения. В настоящее время в этой области работает более 500 компаний, создавая новые полимеры, изделия, разрабатывая новые средства и методы технологического процесса. Объем рынка клеточной терапии и связанных с ней технологий в 2012 г. составил 73,06 млрд. долл. США, а к 2015 г. прогнозируется рост до 96,3 млрд. долл. США. Объем рынка тканевой инженерии имеет стабильный прирост 15%, ежегодно, и по оценкам экспертов эта тенденция сохранится в ближайшие 10 лет [4]. Согласно проекту развития биотехнологий в Российской Федерации до 2020 года ресурсное обеспечение программы за весь период ее реализации должно составить 1163 млрд. рублей. На первом этапе основные инвестиции планируется направить на создание инфраструктуры биоэкономики (создание экспериментальных предприятий и финансовых механизмов поддержки товарооборота продукции), а также на формирование научно-технологического аспекта развития биотехнологий (финансирование научно-исследовательских программ, гранты научных фондов, проекты по НИОКР и др.). После окончания мероприятий по первому этапу основные инвестиции необходимо направить на создание новых производств и на расширение существующих производственных мощностей, а также на финансирование программ массового внедрения продуктов и технологий в большинство отраслей промышленности. Предполагаемые объемы финансирования представлены в таблице 1.1 [4].

Таблица 1.1 Предполагаемые объемы финансирования различных направлений биотехнологий, объединенных понятием «life sciences and technologies» [4]

Направления	Год												Соотно-шение (%)
	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2011- 2020
Биофармацевтика и биомедицина	10	14	16	18	26	28	30	30	38	46	256	22
Сельско- хозяйственная и пищевая биотехнология	1	5	16	18	18	20	24	28	30	40	200	17,2
Промышленная биотехнология	1	10	14	20	21	24	24	26	28	32	210	18,1
Биоэнергетика	14	22	26	28	31	31	35	50	60	70	367	31,6
Природоохранная биотехнология	0	2	2	3	3	3	4	4	4	5	30	2,6
Лесная биотехнология	1	2	2	2	3	3	3	4	5	6	30	2,6
Морская биотехнология	1	3	5	7	7	7	8	10	10	12	70	6,0

Как видно из таблицы 1.1, максимальный размер инвестиций будет направлен в области, связанные с биомедициной и биофармацевтикой, от которых напрямую зависит жизнь и здоровье жителей страны. Разработкам в этой отрасли биотехнологии посвящен данный литературный обзор и вся диссертация в целом.

Восстановление структурной и функциональной целостности кожных покровов методами тканевой инженерии на сегодняшний день нашло широкое применение [5, 6]. Культивируемые клетки кожи - кератиноциты и дермальные фибробласты - являются основой для создания клеточных продуктов, применяемых в медицине [7]. При отделении от подложки и переносе на рану сформированного многослойного пласта кератиноцитов, только часть клеток после имплантации на рану остается жизнеспособной и выполняет свою функцию. Эта проблему решают путем культивирования выращенных клеток на матрице, приготовленной из биодеградируемого полимера. Клеточный пласт, сформированный на полимерной матрице, переносят вместе с ней на пораженный участок кожи без предварительной обработки. Под влиянием раневого микроокружения полимер постепенно деградирует, а клетки сохраняют способность выполнять свои функции по восстановлению поврежденных тканей.

Матрица на основе биосовместимого полимера должна сохранять прочность и целостность при переносе на рану и подвергаться резорбции в организме в течение 1-2 недель. Таким свойствам удовлетворяют матрицы на основе полимеров, относящихся к группе гидроксиалканоатов (ГОА), а именно полилактид, поликапролактон, полигликолид, полигидроксибутират и сополимеры на их основе, а также агарозные и коллагеновые волокна и гели. Они имитируют трехмерное пространство живой ткани и позволяют проводить более близкие к реальности эксперименты, чем при использовании клеточных культур, выращенных в in vitro. Тем не менее, подобные среды имеют один общий недостаток: они гетерогенны и имеют поры случайных размеров, из-за чего их сложно точно охарактеризовать как структурно, так и биохимически [8]. Таким образом, актуальным является поиск специализированных материалов с предсказуемым комплексом свойств. Рассмотрим более подробно свойства некоторых из указанных полимеров.