Pókselyem és sebkezelés

Nyitóoldal > Blog > 2020

Magyar Sebkezelő Társaság

Szerző: Várhegyi László

Egy korábbi, a bioaktív kötszerek előállításában fontos szerepet játszó selyem fibroinnal (SF) foglalkozó bejegyzésemet azzal fejeztem be, hogy maga a selyem nagyon ígéretes anyag az orvosi alkalmazásokhoz, s a pókselyem gyógyászati (főként sebkezelési) alkalmazásával majd egy másik alkalommal foglalkozunk. Eljött az idő, hogy célzottan megismerkedjünk a pókszabásúak osztályának egyik rendjével, amely maga is képes az oldhatatlan fehérje, a fibroin előállítására.

Pókháló Cheryl Hayashi 14:13 perces előadásában (2010) a TED-en (e cikk írásakor 900.836 megtekintésnél tart) megemlíti, hogy rendkívül sok, több mint 40.000 pókfajt ismerünk, szemben a főemlősök 400 fajának számával. Minden pók termel selymet, de nem mindegyik készít hálót. A pókok sokféleképpen használják az anális mirigyeik által termelt pókselymet: például biztonsági kötélnek, ezzel vadásznak, fészket készítenek belőle pihenőhelynek és ebbe csomagolják a petéiket is. A legismertebbek a keresztespókok családjába tartozó Nephila-fajok által termelt pókselymek, ez a csoport ihlette meg korunk géntechnológiáját. Sajnos az korán kiderült, hogy az egymás mellett tartott pókok erősen védik a területüket és kannibalizmusra is hajlamosak, a pókfonalat természetes úton, ipari mennyiségben előállítani ma lehetetlen vállalkozásnak tűnik. (Jelenleg egy kéziszövésű, másfél kilogrammos püspöki palást a legnagyobb pókselyemből készült textília a világon.)

Pedig a pókselyem egy igen ígéretes anyag: a beültetés során a szövetek tolerálják, az emberi test nem kezeli idegen anyagként, ami alapvető fontosságú ahhoz, hogy a szervezetben felhasználható legyen. Biológiailag lebomló, a szövetképződést követően hamar felszívódik, így csak egyfajta támaszt biztosít a regenerációhoz, s nem zavarja a szervezet természetes működését. A vastagságához viszonyítva ellenállóbb és hajlékonyabb a kevlárnál, s jóval erősebb, mint az acél. Szakértők szerint egy ceruzavastagságú pókháló kötél meg tudna állítani egy Boeing 747 óriásgépet repülés közben. A pókselyem –40 és 220 °C között hőálló, a környezet hőmérséklet-változásai nem befolyásolják tulajdonságait, hővezető képessége a rézénél jobb.

A tudomány régóta dolgozik azon, hogy mesterségesen is előállítsa az anyagot, amelyet aztán továbbfejlesztve különböző területeken hasznosíthat.

Charlotte Vendrely és Thomas Scheibel már 2007-ben arról írt (Macromolecular Bioscience), hogy a pókselymek kiemelkedő mechanikai tulajdonságai sok kutatót ösztönöztek biotechnológiai előállítási technikák kidolgozására, amelyek szükségesek ahhoz, hogy elegendő mennyiségű selyemproteint biztosítsanak az ipari alkalmazásokhoz. A géntechnológia közelmúltbeli fejleményei alapján két stratégiát dolgoztak ki a pókselyem-fehérjék rekombináns termelésére, amelyeket részletesen tárgyalnak is. Ezen kívül leírták a fehérjetervezési stratégiákat, amelyek lehetővé teszik a selyem tulajdonságainak és a biológiai, kémiai vagy műszaki tulajdonságok kombinálását.

A pókok bolygónk legidősebb lakói közé tartoznak, 340-450 millió éves sziklákban is megtalálták nyomaikat. A pókfonalat is már ősidők óta használják gyógyászati célokra. A primitív népek kontinenstől függetlenül is felfedezték, hogy ha sűrű pókhálót raknak a sebre, akkor a vér gyorsabban megalvad és a seb hamarabb gyógyul. Ez a hatás az enyhén savas kémhatású pókfonál baktérium- és gombaölő tulajdonságának (is) köszönhető. Nem csoda hát, hogy a modern orvostudomány is keresi az utat, hogyan lehetne minél jobb és hatásosabb kötszert előállítani belőle. Sokan úgy gondolják, hogy a jövő sebészeti varrófonala a pókselyem lesz. Mint az előbb utaltam rá, a ma használatosoknál jobban felszívódik, s vékonyabb is, amely különösen fontos a precíziós (pl. idegsebészeti- és szem-) műtéteknél.

A pókselyem mesterséges úton történő előállításának kérdése már az ókorban is foglalkoztatta a tudósokat. Először az AMSilk GmbH nevű cégnek sikerült kétéves munkával, 2013-ban baktériumok segítségével előállítania a pókselyem fő proteinjét, a spidroint (szpidroint), s ezt pókselyemmé átalakítania. A termék fizikai tulajdonságai a természetes pókselyeméhez hasonlók.

A 2014-ben alapított Seevix Material and Sciences Ltd. kifejezetten a gyógyászati alkalmazásokra fókuszál. Géntechnológiai eljárással valódi pókselymet készítenek, amely kiválóan alkalmazható a lágy szövetek helyreállító sebészeténél, ínszalagoknál, orvosi hálók készítésénél. Újgenerációs angioplasztikai ballonok is készíthetők belőle. A legtöbb implantátum anyaga (például a szilikon és a poliuretán), amelyeket helyreállító implantátumokhoz, katéterekhez és sztentekhez használnak, hatékonyan burkolható pókselyemmel. A Seevix szálai erősítő anyagként használhatók a szövettenyésztésben és sebek zárásához, és elősegítik a valódi sejtnövekedést.

2017-ben Svéd Agrártudományi Egyetem és a Karolinska Intézet kutatói kifejlesztettek egy módszert, amellyel létre lehet hozni a tökéletes mesterséges pókfonalat. A Nature Chemical Biology-ban publikált tanulmányukban arról számoltak be, hogy kilométer hosszú, igazi pókselyemre hasonlító fonalat tudtak létrehozni.

2019-ben az Aalto Egyetem és a VTT Technikai Kutatóközpont finn tudósai cellulózszálakat ötvöztek pókselyem-fehérjével. A kutatók valóban új, bioalapú anyagot hoztak létre a cellulózrostok és a pókháló szálakban található selyemfehérje összevonásával. Az eredmény egy nagyon erős és rugalmas anyag. A kutatások rendkívül szerteágazóak. Szintén ebben az évben jött a hír, hogy a pókselyem felhasználható mesterséges izmok készítésére, míg 2018-ban több kínai intézet közös kutatócsapata sikeresen módosította a selyemhernyók génjeit úgy, hogy azok képessé váltak a pókselyem termelésére. (Malcolm J. Fraser és munkatársai már 2011-ben bemutattak egy hasonló géntechnológiai eljárást.)

Csak érdekességként: egy másik, ráadásul biztató módszerrel genetikailag módosított afrikai törpekecskéket használnak a pókselyem anyagának előállítására, ami nagy mennyiségben nyerhető ki az állat tejéből ( Paula Gold).

Elméletileg minden készen áll a széles körű felhasználásra, egyetlen gát van csupán, az anyag tömeges előállításának nehézsége. Sajnos a pókok tenyésztése – mint már utaltam rá – igen nehéz, s egy-egy állat meglehetősen kis mennyiségű selymet termel. Az ipari előállítás emiatt lehetetlen a mesterséges selyemproteinek és fonási technikák bevezetése nélkül – a legjobb ilyen módszer a biomimetikus fonási eljárás. „A nagy szilárdság és nyújthatóság egyedülálló kombinációja miatt a pók selyme kívánatos különféle biomimetikus és szintetikus alkalmazásokhoz” – állapították meg 2017-ben Sean J. Blamires és munkatársai (Annual Review of Entomology). Az anyag genetikájának, biokémiai és biomechanikai intenzív kutatása megkönnyítette tulajdonságainak alapos megértését különböző szinteken. Úgy vélik, hogy ennek ellenére az olyan módszerek, mint a klónozás, rekombináció, vagy az elektrospinning, nem eredményeztek olyan anyagokat, amelyek olyan lenyűgöző tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a pókselyem.

Pókselyem nanoszálak Mona Widhe és munkatársai a Biopolymers c. szakfolyóiratban már 2011-ben arról írtak, hogy a pókselyem egy lenyűgöző anyag, amely figyelemre méltó mechanikai tulajdonságait ötvözi az alacsony sűrűséggel és a biológiai lebonthatósággal, azonban elegendő mennyiségben történő előállítása és a hatósági követelményeknek való megfeleltetésével járó akadályok leküzdése nehéz feladatnak bizonyult. Úgy látták, hogy addig viszonylag kevés tanulmány készült a pókselyemről az orvosbiológiai alkalmazásokban, és az alkalmazott módszerek és anyagok nagyon különböznek. Összefoglalták a természetes és szintetikus pókselyem sejttenyésztési és -in vivo implantációs tanulmányait, valamint áttekintették az orvosi alkalmazásra való nagyszabású előállításának akkori helyzetét és jövőbeli kihívásait.

Hét évvel később, 2018-ban Dimple Chouhan és munkatársai (ACS Applied Materials & Interfaces) is arról értekeztek, hogy a selyem fibroin elegendő mennyiségben nyerhető a selyemhernyók által termelt gubókból. Jóllehet könnyen alakíthatók kedvező mechanikai tulajdonságokkal rendelkező scaffoldokká, a természetes SF nem tartalmaz bioaktív funkciókat. A pókselyem-fehérjék éppen ellenkezőleg, bioaktív fehérje doménekkel való fúzióval állíthatók elő, de a rekombináns eljárások drágák, és a „tömegtermelés” kihívást jelent. A két selyemfajtát egyesítik, hogy megfizethető, funkcionális szövetszerkezetű konstrukciókat állítsanak elő a sebkezeléshez. Eredményeik biztatóak.

Ami a sebkezelési területet illeti, a Burns folyóirat 2009-ben közölte Lu Baoyong és munkatársai tanulmányát, amely egy állati modell alkalmazásával vizsgálja a rekombináns pókselyem-fehérje sebkezelő anyagként való alkalmazhatóságát mély, második fokú égési sebek kezelésében. Előzetesen arra a következtetésre jutottak, hogy a rekombináns pókselyem-fehérje membrán elősegíti a bőrseb helyreállítását azáltal, hogy növeli a bFGF (basic fibroblast growth factor – bázikus fibroblaszt növekedési faktor) és a hidroxi-prolin növekedési faktor expresszióját és szekrécióját.

A pókselyem forradalmasíthatja az olyan égési sérülések kezelését, amelyeknél mesterséges bőrt kell növeszteni. A kollagénből és szintetikus szálból készült, bőrnövesztésre használt hálók nem bomlanak le elég gyorsan ahhoz, hogy a seb megfelelően gyógyulhasson. (Megfelelő kezelés után a szövetek helyettesítéséhez is felhasználható, például térdszalagműtéteknél nem lesz szükség a test egy másik részéről kivenni egy ínszalagot, hanem be lehet építeni egy teljesen újat pókfonálból.)

2016-ban M. M. Moisenovich és munkatársai (Doklady Biochemistry and Biophysics) egérkísérleteikben kimutatták, hogy a spidroin mikrogélek jelentősen növelik a gyógyulás minőségét a kontrollhoz képest. A mikrogélek bevitele a seb széleibe a bőr összes szerkezeti elemének helyrehozását eredményezte: az epidermisz, a dermisz, beleértve az ér- és ideghálózatot, emellett a seb mögött elhelyezkedő izmok perifériájában és a bőr „függelékeiben” (faggyú- és verejtékmirigyek, szőrtüszők) is felfedezték.

2017-ben Liang Zhao és munkatársai (International Journal of Nanomedicine) arról számoltak be, hogy elektrospinninggel polivinil-alkohol és rekombináns pókselyem-fehérje (pNSR16) sebmembránt készítettek. A membránt pásztázó elektronmikroszkóppal, atomi erőmikroszkóppal és Fourier transzformációs infravörös spektroszkópiával elemezték. Az eredmény azt mutatta, hogy a három tényező, amelyek befolyásolták az átlagos szálátmérőt a következők voltak: feszültség, áramlási sebesség és megszilárdulási távolság. Az a három tényező, amelyek a rost egységességét befolyásolták: az áramlási sebesség, a megszilárdulási távolság és a feszültség. Eredményeik azt mutatják, hogy a Sprague Dawley patkány sebgyógyulásánál az elektrospun membránok sebkötésben történő alkalmazása elősegítheti a sebgyógyulást és az alapvető fibroblaszt növekedési faktor expressziót.

Ugyanebben az évben jutottak Elise DeSimone és munkatársai (Biofabrication) arra az eredményre, hogy mindent összevetve a rekombináns pókselyem-fehérjék és az azokból előállított hidrogélek együttesen jó potenciállal bírnak biotintaként, ami további fejlesztést igényel. (A biotintáról és annak a sebkezelésben történő alkalmazásáról itt írtam részletesen.)

Az elmúlt évben jelent meg Martin Humenik és munkatársainak (Advances in Experimental Medicine and Biology, 2019) közleménye, amelyben arról számolnak be, hogy különböző feldolgozási körülmények teszik lehetővé a nem természetes morfológiák felfedezését, ideértve a nanofibrilleket, részecskéket, kapszulákat, hidrogéleket, filmeket vagy habokat. A rekombináns pókselyem-fehérjék és az azokból előállított anyagok felhasználhatók orvosbiológiai alkalmazásokhoz, például gyógyszerbevitelhez, szövettechnikához vagy 3D-biogyártáshoz. Ugyancsak 2019-ben tudósított a Raketa.hu arról, hogy a Massachusetts Institute of Technology-ban (MIT) azt vizsgálták, hogy a pók által kiválasztott anyag miként nyeli el a vizet. Az ez alapján elkészített, mindkét felén tapadó ragasztó pedig pillanatokon belül működött a vizsgálathoz használt disznóbőrön és tüdőn. A kutatók poliakrilsavat használtak a ragasztóval együtt. Az előbbi elszívta a vizet a nedves szövetről, ami miatt az utóbbi rögtön tudott tapadni. Amennyiben még zselatint vagy kitozánt is adtak hozzá, akkor az így létrejött anyag napokig vagy akár hónapokig (attól függően mennyi időre van szükség) is megőrizte az alakját.

Várhatóan még éveket kell várnunk ahhoz, hogy az új technológiák bármelyikét embereken, széles körben is alkalmazzák.

Megosztás:


Kérjük, szóljon hozzá a cikkhez!

E-mail cím (nem fog megjelenni): *  

Név: *  

A bejegyzés címe, amelyhez hozzá kíván szólni:  

Hozzászólás: *  


Önt is várjuk a Magyar Sebkezelő Társaság tagjai közé!

Ehhez:

Várjuk online jelentkezését!

vagy kérjük,

Töltse le és küldje vissza a regisztrációs lapot!