Язвы диабетической стопы заживают до 150 дней. Команда биомедицинских инженеров хочет сократить его до 21 дня.
Они планируют сократить время заживления, усилив то, что организм уже делает естественным образом: создает слои новой ткани, накачанной оксидом азота. У пациентов с диабетом нарушение выработки оксида азота снижает целительную силу клеток кожи, и Центры по контролю за заболеваниями сообщают, что 15 процентов американцев, живущих с диабетом 2 типа, борются с трудно заживающими язвами стопы. Однако простая накачка оксида азота не обязательно лучше. Долгосрочный план исследователей Мичиганского технологического университета заключается в создании повязок, наполненных оксидом азота, которые регулируют выделение химических веществ в зависимости от состояния клеток.
Для этого исследователям сначала нужно выяснить, что происходит с оксидом азота в клетках кожи. Оценка оксида азота в клетках дермальных фибробластов человека при диабете и нормальных условиях находится в центре внимания последней статьи команды, опубликованной на этой неделе в журнале Medical Sciences.
Клеточно-опосредованная симфония сложности
Меган Фрост – временный заведующий кафедрой кинезиологии и интегративной физиологии, а также доцент кафедры биомедицинской инженерии и аффилированный доцент кафедры материаловедения и инженерии. Она руководит лабораторией полимерных биоматериалов в Michigan Tech, где работает над технологией выделения оксида азота.
"Оксид азота – мощное исцеляющее химическое вещество, но оно не должно быть деспотичным," Мороз говорит. "Мы изучаем профили здоровых и диабетических клеток, чтобы найти более тонкий способ восстановления функции раны."
По мере заживления раны в нее вступают клетки кожи трех типов. Макрофаги являются первыми ответчиками и наиболее широко изученными клетками, которые прибывают в течение 24 часов после повреждения. Затем прибывают фибробласты, которые похожи на инженеров тела. Они помогают заложить внеклеточный матрикс, который позволяет следующим клеткам, кератиноцитам, выполнять тяжелую работу и восстанавливать.
"Заживление ран – это сложная, опосредованная клетками симфония событий, проходящих через ряд предсказуемых и перекрывающихся этапов," Фрост и ее команда пишут в своей статье о медицинских науках. Когда какая-либо часть этого оркестра расстроена, весь процесс рушится. Фибробласты, которые не так хорошо изучены в процессе заживления, как макрофаги, являются ключевым инструментом, и прошлые исследования показали, что их отсроченная реакция у пациентов с диабетом может быть основным фактором медленного времени заживления.
Оксид азота vs. Нитриты
Вот тут и вмешивается оксид азота, своего рода химический метроном, чтобы вернуть процесс в правильный ритм. Но кожный оркестр тела не так прост – точно так же, как игра на метрономе громче и громче не обязательно улучшит синхронизацию музыканта, заливание раны оксидом азота – не панацея.
"Старый подход – добавить оксид азота и расслабиться, чтобы посмотреть, работает ли он," Мороз говорит. "Мы обнаруживаем, что недостаточно подать заявление и уйти; мы должны следить за тем, сколько оксида азота действительно необходимо."
Большая проблема, которую решают Фрост и ее команда, заключается в том, как измерять оксид азота в первую очередь. Текущая практика заменяет измерение нитрита на оксид азота – вводящий в заблуждение переключатель, говорит Фрост, потому что нитрит – это побочный продукт без временного размера. Хотя стабильный нитрит легче измерить, сам по себе он не может передавать состояние заживления в реальном времени, как уровни оксида азота.
Итак, лаборатория Фроста вручную построила прибор для измерения оксида азота для их исследования. Это создает проблему, поскольку это означает, что проводить измерения намного сложнее, что ограничивает размер набора данных, но Frost имеет соглашение с Zysense LLC об оптимизации процесса строительства и производстве коммерческих устройств для измерения оксида азота, которые улучшили бы исследования химии клеток.
Следующие шаги
Сотрудничество – ключевая часть процесса инженерного проектирования. Чтобы создать повязку с оксидом азота с индивидуальной лечебной силой, команда планирует работать с системой здравоохранения UP Portage для сбора образцов клеток у местных пациентов. Расширяя свои образцы клеток и применяя технологию к реальным пациентам, команда продолжит расширять свою базу данных, углубляя свои знания о механизмах оксида азота.
Через несколько лет они планируют получить рабочий прототип бандажа, который избавит от неуклюжих нитритных прокси и свалок оксида азота. Вместо этого пациенты, страдающие язвами диабетической стопы, увидят свет в конце туннеля гораздо раньше, чем через полгода или более – повязка, высвобождающая оксид азота, может помочь вылечить одно из самых тяжелых заболеваний здравоохранения менее чем за месяц.