Электропроводящий гидрогель способствует регенерации поврежденных мышц

В журнале Nature опубликовали разработку корейских ученых, которая может найти применение в регенеративной медицине. Речь идет об электропроводящем гидрогеле, обеспечивающем проведение нервных импульсов в поврежденных мышцах, иннервация которых нередко нарушается при травмах. Благодаря золотым наночастицам в составе гидрогель эффективно проводит электрический импульс, а сам гидрогель обладает реологическими и механическими свойствами, близкими к естественным тканям.

Ученые создали гидрогель на основе гиалуроновой кислоты с фенилборатом и наночастицами золота (AuNP). Фенилборат выполнял функцию сшивающего агента, а AuNP использовались в качестве биосовместимого электропроводящего материала. Состав гидрогеля авторы разработки подобрали таким образом, чтобы его свойства были максимально приближены к естественным тканям. Фенилборат образовывал обратимые бифенильные связи между молекулами гиалуроновой кислоты, которые обеспечивали сохранение структуры гидрогеля после его введения. Иными словами, гидрогель восстанавливался после деформации, вызванной прохождением через тонкое отверстие иглы, за счет перестраивающихся связей.

Прежде чем проводить эксперименты in vivo, авторы оценили биосовместимость и диссоциацию гидрогеля в физиологических условиях in vitro. Для этих опытов использовали культуры дифференцированных клеток PC12 и HT22. Гидрогель поддерживал жизнеспособность около 99% клеток, что говорит о его высокой биосовместимости. Кроме того, ученые провели оценку электропроводимости гидрогеля ex vivo — они показали, что электрический импульс передавался от одной стимулированной мышцы к другой.

На следующем этапе межтканевую электропроводимость гидрогеля оценивали в модели повреждения мышц in vivo. Для создания сложной шероховатой поверхности и необратимых повреждений исследователи перерезали мышцу и вводили в область повреждения гидрогель общим объемом 350 мкл, после чего снимали электромиограммы (ЭМГ). Амплитуда ЭМГ введенных гидрогелей была сопоставима с амплитудой ЭМГ неповрежденных мышц. Таким образом, гидрогель с золотыми наночастицами был способен проводить электрический ток между тканями на нормальном физиологическом уровне.

Цилиндрические повреждения мышц диаметром 8 миллиметров, заполненные гидрогелем, восстанавливались в течение четырех недель. Гистологическое исследование показало, что миофибрилл после такого восстановления было намного больше, чем у контрольных животных, которым в поврежденные мышцы инъецировали желатин-метакрилоил.

Имплантированный гидрогель вызывал умеренный иммунный ответ и демонстрировал постепенную деградацию и приемлемую долгосрочную биосовместимость. AuNP, диссоциировавшие из гидрогеля, обнаруживались в печени, почках и селезенке в больших количествах, но не вызывали значительной токсичности.

Электропроводящий гидрогель показал высокую растяжимость при введении в седалищный нерв, даже в условиях сгибания и растяжения. Он способствовал проведению различимых механорецепторных сигналов при сильном и слабом почесывании лапы и постукивании по стопе. Проведение сигнала работало и в обратном направлении: при стимулировании нерва происходило сокращение мышц.

Наконец, авторы исследования использовали роботизированную установку для реабилитации (C-RAR) животных при повреждениях мышц с системой обратной связи. К седалищному нерву и мышцам подключались электроды, регистрирующие проведение электрического импульса. Введение гидрогеля повышало электропроводимость в поврежденных тканях, установка C-RAR регистрировала это и запускалась, помогая животному нормально передвигаться. В тех случаях, когда гидрогель не применяли, электропроводимость была низкой и установка C-RAR не запускалась, у животного при этом наблюдались нарушения походки: волочение конечности, неправильный угол наклона стопы.

Таким образом, ученые показали возможность совместного применения роботизированных систем для реабилитации с электропроводящими гидрогелями. Разработанный гидрогель не только способствовал проведению электрических импульсов в поврежденных мышцах, но и ускорял их заживление.

Для регенерации мышц после травмы нужны деметилаза гистонов и гиалуроновая кислота