Как показывает исследование, опубликованное в журнале Acta Biomaterialia, наноалмазы, предназначенные для укрепления искусственных суставов, могут предотвратить воспаление, развивающееся в результате попадания в организм продуктов износа поверхностей металлических и полимерных протезов.

(uab.edu/home)

Стремясь создать более износоустойчивые и менее болезненные искусственные суставы, ученые из Университета штата Алабама в Бирмингеме (University of Alabama at Birmingham) изучают, позволяет ли наноалмазное покрытие повысить износоустойчивость протезов из металлических сплавов. О важности этой работы говорит уже тот факт, что, по данным Американской академии хирургов-ортопедов, ежегодно в Соединенных Штатах проводится хирургическая замена более 418000 коленных и 328000 тазобедренных суставов. Предполагается, что по мере старения населения страны это цифра будет расти.

Продукты износа искусственного сустава вызывают боль, ограничивают подвижность и ускоряют выход из строя самого протеза. Частицы металлических поверхностей поглощаются клетками-чистильщиками иммунной системы – макрофагами, – которые секретируют химические вещества, вызывающие отек и боль. Постоянное воспаление стимулирует разрушение костной ткани находящимися рядом с имплантатом клетками, а потеря кости увеличивает вероятность расшатывания протеза и необходимости повторной операции по его замене.

Наноалмазное покрытие может остановить образование металлических продуктов износа, но постоянные нагрузки на сустав таковы, что приводят к образованию некоторого количества частиц самих наноалмазов. Предыдущие исследования показали, что алмазы образуют меньше продуктов износа и более мелкие частицы, но последствия их накопления в органах должны быть изучены.

Основываясь на результатах изучения взаимодействия наноалмазов с макрофагами in vitro, американские ученые полагают, что продукты износа обычного размера и в обычной концентрации не должны вызывать воспаления и оказывать токсического воздействия. По их мнению, макрофаги, поглощающие более мелкие частицы наноалмазов, секретируют меньше провоспалительных веществ, чем поглощающие более крупные частицы поверхностей традиционных имплантатов – металлов и полимеров.

Макрофаги были подвергнуты воздействию синтетических наноалмазов различных размеров (6, 60, 100, 250 и 500 нм), взятых в различных концентрациях (0, 10, 50, 100, 200 микрограмм на миллилитр).

По данным исследования, при концентрации менее 50 мкг/мл (именно такова их обычная концентрация в качестве продуктов износа искусственных суставных поверхностей), наноалмазы нетоксичны для макрофагов. Хотя способность макрофагов к пролиферации снижалась, метаболическая активность сохранялась на нормальном уровне при размере частиц от 6 до 100 нм. При концентрации свыше 200 мкг/мл значительно снижались оба эти показателя, и жизнеспособность макрофагов падала до 50 процентов, независимо от размера частиц.

Кроме того, воздействие наноалмазов значительно снижало экспрессию некоторых генов, известных своим участием в развитии воспаления и связанной с ним потере костной массы, включая фактор некроза опухоли-альфа(ФНО-α), интерлейкин-1β (IL-1β), хемокин Ccl2 и фактор роста тромбоцитов (platelet derived growth factor, PDGF). Ученые объясняют это тем, что макрофаги, поглощающие относительно более мелкие частицы наноалмазов и взятые в более низких концентрациях секретируют меньше провоспалительных химических веществ, «включающих» меньшее количество опасных в данной ситуации генов.

«Наши результаты свидетельствуют в пользу того, что наноалмазы действительно нетоксичны для живых клеток», – резюмирует Виной Томас (Vinoy Thomas), Ph.D., научный сотрудник кафедры физики Колледжа искусств и наук (College of Arts & Sciences) UAB, соавтор проведенного исследования.

Более ранние эксперименты на мышах показали, что 60 процентов инъецированных частиц наноалмазов аккумулируются в печени в течение получаса после введения; остальное количество – в селезенке и легких. В своих следующих экспериментах ученые намерены выяснить, где происходит конечное накопление частиц наноалмазов различных размеров и концентраций и насколько оно безопасно.

«Предыдущие работы по суставным поверхностям с наноалмазным покрытием показали заметное снижение объема продуктов износа по сравнению с протезами первого поколения из сплава и полиэтилена, но работа по обеспечению гарантии их безопасности продолжается», – подводит итоги старший автор исследования Йогеш Вохра (Yogesh Vohra), Ph.D., директор Центра наноматериалов и биоинтеграции (Center for Nanoscale Materials and Biointegration) UAB. «Мы надеемся, что уменьшение объема износа и размера частиц, ожидаемое для алмазных суставов, станет их большим преимуществом перед обычными ортопедическими протезами».

Аннотация к статье

In vitro studies on the effect of particle size on macrophage responses to nanodiamond wear debris