Лиза Маршалл Странный мир гидрогелей: Как они изменят здоровье

Представьте себе день, когда простая инъекция будет способствовать заживлению сломанной кости. Когда крошечные, проглатываемые устройства будут незаметно оставаться в организме, отслеживая состояние здоровья или доставляя жизненно важные лекарства. Имплантаты мозга и сердца будут настолько органично вписываться в плоть, что организм будет думать, что они были там всегда.
Об этом мечтают ученые-материаловеды, которые десятилетиями трудятся над имитацией сложной архитектуры человеческого тела в надежде заменить сломанные детали или вылечить болезни.
Проблема, говорят биоинженеры, заключается в том, что большинство заменяющих и корректирующих деталей - от протезов до кардиостимуляторов - изготавливаются из твердых, сухих, безжизненных материалов, таких как металл или пластик, в то время как биологическая ткань - мягкая, влажная и живая. 
Организм понимает разницу и, как правило, отторгает имитации.
Появились гидрогели - трехмерные сети молекул, наполненные - по определению - водой.   
Этот мягкий гидрогелевый электрод может когда-нибудь заменить жесткие металлические электроды.
Впервые описанные в 1960 г. создателями мягких контактных линз, эти странные, меняющие форму вещества способны превращаться из жидкости в твердое тело и в нечто среднее между ними. (Первые, простые способы применения - гель для волос или желе). Медленно завоевывая внимание, к 1982 г. было опубликовано всего 1  тыс. исследований, в последнее время они стали предметом интенсивного изучения: к 2020 г. будет опубликовано 100  тыс.  работ, а только в этом году уже 3  тыс.
По мере того как химики, биологи и инженеры начинают тесно сотрудничать друг с другом и с врачами, развивающаяся область гидрогелей способна изменить способы приема лекарств и лечения изношенных суставов, а также проложить путь к фантастическому будущему, в котором органы, включая мозг, смогут напрямую взаимодействовать с машинами.
"По сути, мы и есть гидрогели", - говорит Бенджамин Уайли, доктор философии, профессор химии в Университете Дьюка в Дареме (штат Северная Каролина). "По мере разработки новых гидрогелей, которые будут более точно соответствовать тканям нашего тела, мы сможем лечить целый ряд заболеваний, которые не могли лечить раньше".
От контактных линз до имплантатов мозга
Проще говоря, гидрогель похож на сетчатый мешок с водой. 
Сетка состоит из полимеров, или нитей молекул, похожих на спагетти, сшитых между собой по повторяющемуся образцу и наполненных водой, подобно тому, как 3D-матрицы в нашем теле окружают, поддерживают и придают структуру клеткам и тканям.
"Представьте себе футбольную сетку, в которой все эти длинные волокна сплетены вместе, чтобы создать сетку", - говорит Эрик Аппель, доктор философии, доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета.
Хотя в более широкую категорию "гелей" может входить что угодно, включая химические растворители, вода является ключевым ингредиентом, который отличает гидрогели, делая их идеальными для, как говорят некоторые ученые, "слияния человека и машины".
Кости человека состоят из воды примерно на 25%, мышцы - на 70%, а мозг - на 85%. Драгоценная жидкость играет множество важнейших ролей - от транспортировки питательных веществ и отходов до помощи клеткам в общении друг с другом. 
Созданные в лаборатории гидрогели можно нагружать грузом (как мяч в сетке), в том числе клетками или лекарствами, которые помогают имитировать некоторые из этих функций.
Гидрогели также мягкие и податливые, как плоть. Поэтому при использовании в имплантатах они могут с меньшей вероятностью повредить окружающие ткани.
"Подумайте о металлической ложке в миске с пудингом. Когда вы трясете миску, ложка не остается на месте, и вокруг нее образуются рубцы", - говорит Кристина Трингидес, доктор философии, материаловед, изучающая нейронную инженерию. Именно это, по ее словам, происходит с мозговыми имплантатами, когда пациенты дышат или двигаются. "Это механическое несоответствие. Но с помощью гидрогелей можно добиться идеального механического соответствия".
Гидрогели также, как правило, нетоксичны, поэтому иммунная система может с меньшей вероятностью атаковать их как инородные тела.
Все это сделало гидрогели новым фаворитом в мире биоинженерии. 
По словам Аппеля, "интерес к этим материалам просто взрывоопасен".
Более эффективная доставка лекарств и встраиваемая электроника
Первые версии гидрогелей были густыми и липкими, что затрудняло их доставку в организм.
"Представьте себе блок желе. Вы не сможете ввести что-то подобное", - говорит Аппель.
Но Аппель, чья лаборатория занимается разработкой новых систем доставки лекарств, уже много лет возится с формулами гелей, надеясь, что когда-нибудь эти высокотехнологичные шарики смогут доставлять лекарственные препараты с временным высвобождением в нужную точку организма.
Его новые гидрогели начинаются как полностью сформированные гели (что помогает сохранить содержимое лекарственного препарата) внутри шприца. Но после нажатия на плунжер они волшебным образом превращаются в жидкость, достаточно жидкую, чтобы легко проходить через стандартную иглу. После выхода из шприца они сразу же превращаются в гель, защищая вложенный в них груз от разрушения.
Это может изменить ситуацию, когда многие новейшие препараты - например, Humira для лечения артрита или Ozempic для лечения диабета 2-го типа - состоят из быстро разрушающихся белков, слишком больших и сложных, чтобы просто поместить их в таблетку. Вместо этого их необходимо вводить, причем часто.
 Подумайте о блоке желе. Вы не сможете впрыснуть что-то подобное.
Эрик Аппель, доктор философии, Стэнфордский университет
"Поскольку для растворения геля требуются месяцы, он медленно доставляет лекарство в течение определенного времени", - говорит Эрик Аппель. "Можно перейти от уколов раз в неделю к уколам раз в 4 месяца".
По словам Аппеля, который создал стартап и надеется в течение нескольких лет быстро довести первую гидрогелевую систему доставки лекарств до клинических испытаний, такие медленно высвобождающиеся гидрогели могут сделать вакцины более долговечными, что, в свою очередь, научит организм лучше сопротивляться появляющимся разновидностям вирусов, и более точно доставлять терапию, разрушающую опухоли.
В то же время другая группа специалистов из Массачусетского технологического института использует другой подход, разработав стандартную по размеру таблетку из гидрогеля, которая раздувается в желудке, как рыба-пыхарь, живет в нем месяц и все это время медленно высвобождает лекарственные вещества. Чтобы извлечь таблетку, пациент просто выпивает солевой раствор, который размягчает устройство размером с шарик для пинг-понга, и оно может быть выведено из организма.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, ученые показали, что таблетка из иглобрюха может быть также снабжена крошечными камерами или мониторами для отслеживания таких заболеваний, как язва или рак.
Мечта - создать "умную" таблетку, похожую на желе, которая после проглатывания остается в желудке и следит за состоянием здоровья пациента", - сказал Сюаньхэ Чжао, доктор философии, исследователь проекта и доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института.
Создание суставов и восстановление костей
С 1970-х годов исследователи рассматривают возможность использования гидрогелей для замены человеческого хряща - удивительно прочной и гибкой ткани, состоящей примерно на 90% из воды, но способной выдержать вес автомобиля на площади размером с монету.
До недавнего времени эти попытки были в основном безуспешными. То есть, когда хрящ коленного сустава изнашивается, единственными вариантами остаются пересадка хряща, сверление отверстий для стимуляции роста новых тканей или полная замена сустава - все это требует длительной реабилитации. 
Но, возможно, ситуация изменится.
Мечта - создать "умную" таблетку, похожую на желе, которая, будучи проглоченной, остается в желудке и следит за состоянием здоровья пациента.
Сюаньхэ Чжао, доктор философии, Массачусетский технологический институт
Уайли и его коллеги из Университета Дьюка недавно сообщили о том, что им удалось разработать первый гелевый заменитель хряща, еще более прочный и долговечный, чем настоящий.
Прикрепляя гидрогель к титановой подложке для фиксации на месте, они надеются восстановить поврежденный хрящ "подобно тому, как стоматолог заполняет полость" задолго до того, как потребуется хирургическое вмешательство.
Они также сотрудничают с промышленными предприятиями, чтобы вывести свой гидрогель на рынок - начиная с коленных суставов.
"В конечном счете, цель состоит в том, чтобы сделать любой сустав - тазобедренный, голеностопный, пальцев рук и ног", - сказал Уайли. 
В Университете Торонто химик Карина Карнейро, доктор философии, и стоматолог Кристофер МакКаллох, доктор стоматологии, также мыслят масштабно.
В своей недавней статье в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences они описывают гидрогель, разработанный Карнейро и состоящий из ДНК, который может быть введен в кость, мигрировать к дефекту кости - непоправимому перелому, отверстию после операции или челюстной кости, увядшей от возраста, - и заполнить брешь, как шпаклевка. Но она не только заделывает дыру, но и побуждает кость к регенерации. 
На крысах с дырами в черепе, образовавшимися в результате хирургического вмешательства, было обнаружено, что этот метод лечения не так эффективен, как существующий золотой стандарт восстановления дыр в костях - пересадка костной ткани из других частей тела. Однако оно сработало.
Соавтор исследования, профессор стоматологического факультета Маккаллох предупреждает, что, скорее всего, пройдет не одно десятилетие, прежде чем такая технология станет доступна пациентам: "Гидрогели ДНК - это очень ранний этап". "Однако существует вероятность того, что ДНК-гидрогель сможет в будущем выращивать кость без необходимости проведения высокоинвазивных хирургических операций. Это значительное достижение".
Научно-фантастическое будущее
Возможно, самые дикие и странные возможности применения гидрогелей лежат в области взаимодействия человека и машины.
Многие компании уже занимаются разработкой нейропротезов или интерфейсов мозг-компьютер, которые, например, позволят парализованному человеку, не умеющему говорить, писать на ноутбуке, используя свои мысли.
Проблема ложки в желе стала серьезным камнем преткновения.
Но Трингидес, недавно получившая степень доктора философии по биофизике в Гарварде, работает над ее решением.
Она и ее команда разработали гидрогель на основе морских водорослей с крошечными частицами наноматериалов, которые могут не только прекрасно встраиваться в хлюпающую ткань мозга, но и проводить электричество.
В течение десятилетия, по ее словам, это может заменить громоздкие платиновые металлические диски, используемые для электрокортикографии - регистрации электрической активности мозга для определения места начала припадков или проведения точных операций на мозге.
Через 30-50 лет? Дайте волю своему воображению.
"Я скептик. Мне нравится рассматривать исследования шаг за шагом", - сказала она. "Но, безусловно, исследования развиваются в интересном направлении".