Ученые ЛНФ ОИЯИ в составе исследовательской группы использовали методы нейтронного рассеяния, чтобы изучить структуру раневых повязок из бактериальной целлюлозы и отследить изменения, которые происходят во время ее разложения под воздействием ферментов. Полученные результаты помогут создавать биоразлагаемые повязки с нужными свойствами для лечения ожогов и других повреждений кожи.

  Структурные изменения БЦ в результате ее обработки ферментом

Чайный гриб и кокосовое желе, ткани, бумага и чувствительные акустические мембраны, биосовместимые трансплантаты и универсальные тканевые покрытия для ран — это все о бактериальной целлюлозе, удивительном веществе, обнаруженном в 1886 году, через полусотню лет после открытия хорошо всем известной растительной целлюлозы. Хотя человечество знакомо с бактериальной целлюлозой давно (филиппинские десерты nata de coco и nata de pina), ее свойства начали исследовать только в прошлом веке.

Целлюлоза, производимая бактериями (например, уксуснокислыми - Gluconoacetobacter xylinum) в виде плотной пленки с мелковолокнистой сетчатой структурой, обладает меньшим диаметром волокон и увеличенной площадью поверхности по сравнению с ее растительным аналогом и проявляет особенные качества: механическую прочность и эластичность, водо- и паропроницаемость, гигроскопичность, нетоксичность и биосовместимость. Кроме того, бактериальная целлюлоза может способствовать заживлению ран. Таким уникальным физико-химическим и биологическим свойствам нашлось применение, и вот уже более десяти лет они используются в медицине для разработки кровоостанавливающих средств, имплантатов и искусственных кровеносных сосудов, тканевой инженерии кожи и заживляющих повязок.

Раневые повязки из бактериальной целлюлозы становятся перспективной альтернативой традиционным медицинским средствам, ведь требований к таким повязкам довольно много. Они должны легко наноситься и удаляться, быть биосовместимыми и не вызывать аллергических реакций, защищать от инфекций и обеспечивать влажную среду и доступ кислорода, а также менять свою форму со скоростью образования новой ткани у пациента. То есть повязки должны обладать контролируемой способностью к биоразложению, но в организме человека отсутствуют ферменты, способные катализировать разложение целлюлозы.

Чтобы получить контролируемую технологию, основанную на ферментативном гидролизе целлюлозы, необходимо не только составить картину взаимосвязей между структурой и физическими и химическими свойствами биологических материалов, но и обладать инструментами, которые могут повлиять на их изменения.

В качестве варианта такого инструмента усовершенствования бактериальной целлюлозы для биомедицинских применений, ученые ПИЯФ в рамках совместного со специалистами ряда научных центров исследования использовали фермент, целлобиогидролазу, выделенную из дрожжеподобного гриба Scytalidium candidum 3C, и впервые проследили за тем, как при этом происходит ее разрушение.

Но при чем здесь нейтроны?

«В работе  использован широкий спектр физических и микроскопических методов, включая малоугловое рассеяние нейтронов, рентгеновскую дифракцию и атомно-силовую микроскопию (Дубна, ЛНФ ОИЯИ), ультрамалоугловое рассеяние нейтронов (Гархинг, Германия, Heinz Maier-Leibnitz Zentrum), а также методы сканирующей электронной микроскопии (Москва, ЦКП ИОНХ РАН). Это позволило получить исчерпывающие сведения об изменениях в кристаллической и надмолекулярной структуре целлюлозных наногелевых пленок на уровне от нескольких нанометров до нескольких микрометров на разных стадиях их гидролиза при обработке ферментом», - объяснила участница исследований Юлия Горшкова из Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ. - Одна из причин, по которой бактериальную целлюлозу используют при разработке материалов для регенерации кожи и костей, вызвана ее сходством в нанометровом масштабе со строением коллагена, фибриллярного белка. Его фибриллы цилиндрической формы больше, чем пластинчатые фибриллы у нативной бактериальной целлюлозы. Под влиянием фермента, как показали методы нейтронного рассеяния, размеры и форма частей полимерной матрицы бактериальной целлюлозы начинают приближаться к размерам нативного коллагена».

Возможность безопасного применения бактериальной целлюлозы, обработанной ферментом, на биологических системах доказали эксперименты in vivo и in vitro. Цитотоксический эффект при добавлении фермента в повязки из бактериальной целлюлозы отсутствовал, наблюдалась положительная динамика при лечении обширных ожогов III степени. 

Результаты исследований будут способствовать созданию биотехнологий по разработке раневых повязок с заданными свойствами для лечения различных поражений кожи. 

Работа опубликована в Materials

L. Ivanova etc. Crystal and Supramolecular Structure of Bacterial Cellulose Hydrolyzed by Cellobiohydrolase from Scytalidium Candidum 3C: A Basis for Development of Biodegradable Wound Dressings. Materials 2020, 13, 2087; doi:10.3390/ma13092087

Ольга Баклицкая-Каменева