Одним з найграндіозніших відкриттів у галузі медичної техніки минулого року західні науково-популярні ЗМІ назвали розробку інноваційного хірургічного клею. «Вихідний код» цього унікального біопрепарату вчені позичили… у слимака.
Склеїти… наживо
Не так давно група вчених із лабораторії Девіда Дж. Муні (Гарвард) проаналізувала склад секрету слимака Arion fuscus і пристосувала його для клінічного використання. Експерименти довели: дещо модифікований слиз може функціонувати в організмі як хірургічний клей. На відміну від синтетичних аналогів, які застосовують нині, новий «екологічний» клей відповідає найвищим медичним стандартам — він нетоксичний для клітин і забезпечує високу адгезію як до сухих, так і до вологих поверхонь. Розробники стверджують, що їх ноу-хау можна використовувати для внутрішніх швів, у тому числі при операціях на серці.
Земляний слимак Arion fuscus — оранжево-коричневий черевоногий молюск за розміром, як людський мізинець, належить до родини круглих слимаків Arionida. Рухається Arion fuscus занадто повільно, до того ж він сліпий. Але природа наділила його іншим захисним механізмом: коли безпеці молюска щось загрожує, він зливається з навколишнім середовищем, виділяючи для надійності ще й дуже липкий клей — завдяки цьому істота видається оточуючим абсолютно нерухомим і неапетитним об’єктом. Секрет неймовірної адгезії слизу Arion fuscus полягає в тому, що ця субстанція може зв’язуватися з поверхнею різними способами. Він містить первинні аміни з позитивним зарядом, які міцно чіпляються до негативно заряджених клітин на поверхні одразу, на першому ж етапі взаємодії.
Для більшості вищеописана картина виглядає досить непривабливою, але тільки не для дослідників у галузі біоміметики — дисципліни, яка розвивається на стику біології та техніки і стрімко прогресує. Для таких фахівців бридкий слимак — щось на кшталт алегорії майбутнього медицини.
Нове — як забуте старе
У певному сенсі біоміметика і навіть сам «слизовий» клей не є чимось революційно новим: запозичувати ідеї в природи пропонував ще Леонардо да Вінчі. У своїй праці «Кодекс про польоти птахів» він припускав, що за принципом пташиного польоту можна відтворити повітряні подорожі людей. Упродовж життя да Вінчі написав низку робіт, присвячених механіці польотів і природі повітря, котрі супроводжуються 500 ескізами, виконаними його рукою.
Задум вченого реалізували тільки в 1903 році, коли брати Орвілл і Вілбур Райти (Кітті Хоук, штат Північна Кароліна) продемонстрували перший в історії успішний повітряний рейс, який тривав більше хвилини. Мине ще понад десять років, перш ніж здійснить свій переліт перший комерційний пасажирський лайнер.
Інші дослідники не гребували застосовувати природні трюки для земних, суто практичних завдань. Наприклад, у 1955 році швейцарський інженер Джордж де Местрал запатентував липучки (як Velcro) після того, як дослідив під мікроскопом реп’яхи, що потрапили у хутро його собаки ще в 1941-му.
У медицину біоміметичний підхід прийшов завдяки американському біофізику Отто Шмітту — він уперше використовує термін «біоміметика» у своїй доповіді на Міжнародному конгресі з біофізики в Бостоні в 1969 році. Не будучи фахівцем у галузі біологічних технологій, Шмітт зміг змоделювати електричний ланцюг, взявши за взірець модель системи нервових імпульсів кальмарів.
Через п’ять років після конгресу завдяки цьому вченому слово «біоміметика» стає офіційним терміном: його включають до Вебстерського словника. Відтоді задум імітувати найтонші трюки природи фактично перетворюється на один із векторів розвитку медичної техніки.
Визначні дати — акцент на екологію
- 1997 рік. Вчена, письменник і популяризатор науки Дяніне Беньюс видає книгу «Біомімікрія: новація, на яку надихнула природа». В інтерпретації Беньюс основна мета розвитку наукової течії — запобігання екологічній катастрофі.
- 2006 рік. Річард Бонсер публікує в журналі Bionic Engineering аналіз, у якому оцінює темпи зростання біоміметичних інновацій. Автор підрахував, що протягом 1985-2005 років кількість патентів, які містять слово «біоміметичний», збільшилася в 93 рази.
- 2008 рік. У Гарвардському університеті створюють Інститут біологічної інженерії, основними завданнями якого було визначено «спроби розкрити інженерні принципи, що керують живими організмами, та використовувати ці знання для розробки технологічних рішень, котрі допомогли б вирішити найнагальніші проблеми в галузі охорони здоров’я та охорони навколишнього середовища, що постали перед людством».
- 2011 рік. Лінн Рейзер встановлює індекс да Вінчі, перший показник, який визначає економічну активність, пов’язану з біомімікрією, у наукових дослідженнях та інноваціях.
- 2012 рік. Декард Соренсен і Мігель Гальвес демонструють концепцію дизайну пляшки для води, натхненої «спраглим» жуком (ендемічним тільки для пустелі Наміба на півдні Африки). Як і комаха, що витягує воду з повітря, збираючи конденсат на мікроскопічні шипи, розташовані на спині, пляшка висмоктувала вологу з атмосфери. За словами біоінженерів, пристрій може накопичувати близько 3 літрів питної води щогодини.
«Залатати» всі хвороби
Цікаво, що такі трюки вчені запозичують зовсім не у «вищих макроорганізмів». Наприклад, джерелом ідей, котрі полегшили б життя лікарів та пацієнтів, неодноразово ставали павуки — вони надихнули не одну команду дослідників на створення біосумісного шовного матеріалу.
Зокрема, ідею нової хірургічної нитки вченим «подарував» Alpaida quadrilorata. Цей член родини Araneidae виплітає своє мереживо у традиційній формі кола, додаючи в процесі до ниточок павутини невеликі клейкі потовщення у формі кульки. Для назви такого типу павутини вживають абревіатуру BOAS (beads-on-a-string, дослівно «бісер на нитці»). Завдяки відтворенню подібної конструкції із в’язкоеластичних філаментів у нейлоні дослідники створити міцний і водночас гнучкий шовний матеріал із додатковими терапевтичними властивостями: кульки у штучній версії містять ліки. За словами дослідників, репліка BOAS-павутини була отримана за допомогою максимально точного копіювання прядильної техніки «автора». Щоправда, для витягування настільки специфічних ниток з особливою морфологією вченим довелося розгадати їх фізику та сконструювати відповідне обладнання. Як зазначають інженери, це відкриття дасть змогу створити хірургічні шовні матеріали та пластирі принципово нового типу.
Інші вчені побачили в павутині ідею тимчасового імплантата TRAFFIC (Threaded-reinforced Alginate Fiber for Islets enCapsulation). Передбачається, що TRAFFIC стане альтернативою інсулінотерапії: його застосовуватимуть для введення в організм пацієнта з діабетом 1-го типу сотень тисяч острівцевих клітин підшлункової залози. Інсулінпродукуючі клітини надійно захищені від агресії імунітету тонким гідрогелевим покриттям і, що ще важливіше, фіксуються на полімерній нитці й тому за потреби можуть без проблем видалятися або замінюватися. Розробники підрахували, що на одного пацієнта потрібно буде використати близько 1,8 м такої гідрогелевої нитки, котру вводитимуть у перитонеальну порожнину шляхом мінімально інвазивного лапароскопічного втручання. Залишалося лише вдосконалити та випробувати!
Декілька років тому лусочки на крилах бабки Diplacodes bipunctata надихнули вчених на створення антибактеріальних покриттів, до яких не може виникнути резистентність, адже їх дія побудована не на «хімії», а на механіці. З’ясувалося, що мікроскопічні утворення, своєрідні «нановиступи», котрі розташовані кластерами на крилах цих яскравих істот, слугують їм дієвим засобом боротьби з мікроорганізмами: під мікроскопом на поверхні крил бабок не виявили бактерій. У процесі досліджень було визначено, що ці структури «нановиступів» ушкоджують клітинну стінку мікроорганізмів — буквально ріжуть їх на шматки. Численні експерименти підтвердили: поверхня крила Diplacodes bipunctata смертельно небезпечна для грампозитивних і грамнегативних бактерій, а також для спор грибів. Вивчивши структуру цієї досить непростої конструкції, дослідники повторили штучне бактерицидне покриття з чорного кремнію з аналогічними бактерицидними властивостями. На думку авторів, їх винахід можна буде застосовувати для покриття медичних інструментів і приладів.
Це лише кілька прикладів вдалого наслідування «природних хитрощів», які ще чекають на додаткові інвестиції, перевірку, клінічні випробування тощо. Наші власні тіла, як і організми інших істот, сповнені безлічі геніальних рішень, котрі «нашептала» сама еволюція. І ми все частіше їх запозичуємо.
Підготувала Любомира ПРОТАСЮК, спеціально для «ВЗ»
