Раневой процесс: нанобиотехнологии оптимизации

– спонтанная (базальная) хемилюминесценция

ХЛ

– стимулированная хемилюминесценция

ЦАХ – целлюлоза Acetobacter xylinum

ЦНС – центральная нервная система

ЦХО – цитохромоксидаза

ШУ – шунгитовый углерод

С

/Краун-эфир – кластер фуллерена С

с 15-Краун-5-эфиром

ATCC – American Type Cultures Collection

С

/ПВП – кластер фуллерена С

с N-поливинилпирролидоном С

/Tween 80 – кластер фуллерена С

с полисорбатом 80 (Твин 80)

20-НЕТЕ – 20-гидроксиэйкозатетраеновая кислота

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сущность раневого или воспалительного процесса, понятий теоретически и практически почти идентичных, в разной степени известна любому патофизиологу и клиницисту. В то же время в названии книги использован не вошедший еще в повседневное употребление термин «нанобиотехнологии». Поэтому для устранения возможных сомнений начнем с определения этого термина.

Нанотехнология сформировалась как междисциплинарное направление на стыке физики, химии, материаловедения, биологии и электроники. В центре внимания данного направления находятся объекты, размер которых составляет примерно 0,1 – 100 нм (1 нм = =10

м). Слово «нано» (nanos – греч.) в переводе означает «карлик». К нанообъектам относят индивидуальные частицы, пленки, стержни, трубки, сферы, капсулы, а также наноструктурные и нанопористые материалы вместе с нанокомпонентами и наноустройствами. Термин «нанотехнология» впервые использован японским ученым N. Taniguchi в 1974 г. В американской литературе понятие «нанотехнология» трактуется как умение создавать и использовать материалы, устройства и системы, структурные элементы, которые имеют наноразмеры. Одной из приоритетных задач научных исследований в области нанотехнологий является разработка материалов и веществ с заданным высоким уровнем физических, химических, биологических и других свойств. Конечный объект нанотехнологии не одна наночастица, а их совокупность, макроскопическое тело, состоящее из наночастиц, так называемые нанокомпозиты.

Под нанобиотехнологиями понимается слияние молекулярной биологии с инженерией, результатом которого является разработка полифункциональных устройств для биологического и химического анализа, отличающихся высокой чувствительностью и специфичностью, а также высокой скоростью действия.

В настоящее время в результате большого объема исследовательских работ, проведенных зарубежными и отечественными учеными, созданы реальные предпосылки для внедрения нанобиотехнологий в диагностику и интенсивную терапию ряда заболеваний, в контроль над состоянием биологических систем при различных видах патологии, что можно рассматривать как появление нового клинического направления – наномедицины. При этом, несмотря на огромное количество публикаций, в том числе противоречивых, говорить о развитии и внедрении нанобиотехнологий в практическую медицину пока еще преждевременно. По мнению многих исследователей, нанобиотехнологии на сегодняшний день находятся в медленной эволюционной фазе.

В нашей работе в качестве модели для исследования биологической активности нанобиокомпозитов был выбран наиболее доступный для воспроизведения в эксперименте типовой патологический раневой (воспалительный) процесс, развивающийся при многих хирургических заболеваниях, при тяжелой термической и механической травме, в том числе при огнестрельных ранениях. Лечение ран остается одной из наиболее актуальных проблем военно-полевой, гнойной хирургии и комбустиологии. Общее число пострадавших и больных с гнойно-деструктивными процессами мягких тканей и их осложнениями от общего числа больных хирургического профиля составляет 30 – 35 %. Наиболее часто такие процессы наблюдаются при механической травме и, в частности, при огнестрельных ранениях, вызванных снарядами с высокой кинетической энергией, а также при термической и электротравме. Данные виды патологии отличаются длительными сроками заживления ран, высокой частотой неблагоприятных исходов в виде генерализации патологического процесса, инвалидизации, стойкого ограничения трудоспособности. Особое внимание обращает на себя постоянно наблюдающийся рост антибиотикорезистентности микроорганизмов и увеличение частоты гнойно-септических осложнений раневого процесса. При этом ассортимент и доступность отечественных перевязочных средств, многокомпонентно воздействующих на раневой процесс, остаются недостаточными. Для раневого (воспалительного) процесса характерна стадийность течения, когда в ранние сроки после первичного повреждения в тканях развиваются окислительный стресс, метаболический взрыв («пожар обмена») и интенсивная экссудация, вызывающие вторичное (часто по объему превышающее первичное) повреждение тканей, серьезные инфекционные и другие осложнения.

С целью подавления отмеченных сдвигов и воздействия на основные звенья патогенеза раневого процесса было решено исследовать биологическую активность различных комплексов (кластеров) фуллерена С

(С

/ПВП, С

/Tween 80, С

/Краун-эфир, С

/липоидол). Термин «кластер» рассматривается как химическое соединение (группа атомов), промежуточное между молекулой и твердым телом. Из опубликованных работ известно, что фуллерены перспективны как вещества, оказывающие влияние на окислительно-восстановительные процессы. Опубликованные данные о мембранотропной, цитопротективной, антиоксидантной, иммунотропной, фотодинамической активности фуллерена С

и отсутствии у него гепатотоксических и цитотоксических эффектов дали нам основание предполагать возможность оптимизации раневого процесса при местном применении данного нанобиокомпозита и его стимулирующего действия на регенерацию тканей.

С учетом непрерывно нарастающей устойчивости раневой микрофлоры даже к III и IV поколению современных антибиотиков важным направлением наших исследований оказалась разработка и изучение эффективности новых наноантисептиков, высокоактивных в отношении первичной («уличной») и госпитальной микрофлоры.

Следующим направлением нашей работы была разработка новых наноструктурных сорбентов, высокоактивных в биологических средах (раневой, плевральный и абдоминальный экссудаты, нативная кровь, плазма крови и др.), и создание на их основе раневых покрытий с адсорбированными препаратами, разносторонне воздействующими на раневой процесс.

Мы надеемся, что результаты исследований, представленные в книге, окажутся полезными для более интенсивного и перспективного внедрения нанобиотехнологий в клиническую практику.

В заключение необходимо заметить, что данная работа, которую ни в коем случае нельзя считать завершенной, не могла быть осуществлена без огромных усилий многих специалистов разного профиля, без непосредственного творческого участия, доброжелательной методической помощи, полезных советов и высококвалифицированных консультаций многих специалистов – представителей смежных и несмежных наук. Среди них с глубокой благодарностью, прежде всего, необходимо отметить доктора биологических наук, профессора Л. Б. Пиотровского (Институт экспериментальной медицины РАМН), доктора биологических наук В. В. Егорову (Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН), доктора медицинских наук, профессора В. Н. Цыгана (Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова). Особую благодарность и признательность мы выражаем В. И. Герасимову (ООО «Научно-производственная фирма „Энергосберегающие технологии и углеродные материалы“», Санкт-Петербург) за безвозмездное обеспечение нашей исследовательской работы водорастворимыми формами фуллерена С

.

Как заметил один из моих незабываемых учителей академик РАН Александр Михайлович Уголев, «когда врач начинает лечение больных, он независимо от его узких интересов становится биотехнологом; при этом биотехнологический подход очень труден, так как он требует использования языка и методов различных наук».

Мы приносим свои извинения за возможные ошибки, допущенные на этом пути, и готовы принять все полезные замечания читателей.

    Профессор В. А. Попов

ЧАСТЬ I. РАНЕВОЙ ПРОЦЕСС

Глава 1

ПАТОФИЗИОЛОГИЯ РАНЕВОГО ПРОЦЕССА

Раневой процесс – это сложный комплекс биологических реакций в ответ на повреждение органов и тканей. В ходе него развиваются деструктивные и восстановительные изменения в тканях, образующих рану, и тканях, примыкающих к ней (соединительной, эпителиальной, нервной, мышечной). При этом важнейшая роль принадлежит клеткам крови и нарушениям микрокровообращения. В общей динамике раневого процесса четко прослеживается три основных периода:

1-й период – сосудистых изменений, расплавления некротических масс и очищения от них раневого дефекта через воспаление;

2-й период – пролиферации соединительнотканных элементов и формирования грануляционной ткани, восполняющей рану;

3-й период – фиброзирования грануляционной ткани с образованием рубца и его эпителизацией.

В данном обзоре изложены современные представления о патогенезе воспаления как наиболее важном компоненте раневого процесса, об особенностях локального раневого процесса при таком тяжелом виде повреждения, как огнестрельные ранения, и основные направления патогенетически обоснованного местного лечения ран.

Воспаление – один из самых распространенных патологических процессов наряду с гипоксией и стрессом. Не вызывает сомнения защитная роль воспаления: без него оставались бы не распознанными опасные местные процессы, возникала бы генерализация инфекции, травмы заканчивались шоком, а тканевые дефекты не восстанавливались.

Любой повреждающий агент, который по силе и длительности превосходит адаптационные возможности ткани, может вызвать воспаление (например, длительная экспозиция в кипятке вызывает глубокий ожог, особенно у детей и лиц старческого возраста).

Проблема воспаления исключительно актуальна еще и потому, что свойственные ему закономерности сопровождают раневой процесс, особенно при тяжелой механической травме, наблюдающейся при автокатастрофах, на производстве, при стихийных бедствиях, при огнестрельных пулевых и минно-взрывных ранениях. Ведущим моментом, определяющим степень разрушения тканей, является количество переданной телу кинетической энергии, которое, прежде всего, зависит от скорости ранящего снаряда: