Целлюлоза чем полезна


Польза и вред клетчатки, в каких продуктах содержится, отзывы

Клетчатка – одно из самых важных питательных веществ. Оно необходимо для нормальной работы желудочно-кишечного тракта и других органов. Хотя люди употребляют ее каждый день, далеко не каждый знает, каковы польза и вред клетчатки.

Что такое клетчатка

В переводе клетчатка обозначает волокно, или нить. Поэтому в литературе можно встретить название «пищевые волокна». Действительно, при многократном увеличении под микроскопом она напоминает длинные нити.

Клетчатка – это разновидность углеводов. Она относится к группе сложных сахаров. Особенность этого углевода в том, что ферменты желудочного сока и секрета поджелудочной железы не способны расщепить его на более простые соединения: фруктозу и глюкозу. Поэтому она не всасывается в тонком кишечнике, как другие сахара. То есть углевод выходит в практически неизмененном виде из организма.

В пищевых волокнах не содержится витаминов и других полезных микроэлементов. Теоретически она бесполезна. Но на практике это совершенно не так. Все о пользе и вреде клетчатки для организма далее.

Состав клетчатки

Клетчатка – это полисахарид, или сложный углевод. Эта разновидность имеет наибольшую массу среди всех сахаров. Она состоит из множества моносахаридов глюкозы. Объединяясь в большие группы, моносахариды образуют ди-, а потом полисахариды. Таково строение пищевого волокна на молекулярном уровне.

Если рассматривать строение углевода на уровне клеток, оказывается, что он представляет собой стенку различных растений. Он входит в структуру их мембраны, образуя нити, или волокна. Откуда и пошло название клетчатки.

Полезные свойства клетчатки

Ранее было отмечено, что пищевые волокна не содержат витаминов и других полезных микроэлементов. Несмотря на это, пользу употребления клетчатки трудно переоценить. Говоря о положительном влиянии полисахарида, стоит рассматривать 2 его разновидности: растворимая и нерастворимая.

Первый тип углевода активно всасывает воду и разбухает в желудочно-кишечном тракте. Вследствие этого он меняет консистенцию, становится более похожем на желе. Благодаря этому процесс переваривания пищи замедляется, голод утоляется на долгое время.

Растворимые пищевые волокна полезны для диабетиков. Они способствуют снижению концентрации глюкозы в крови. Кроме того, данный тип клетчатки снижает уровень липопротеинов низкой плотности. В народе их называют «вредными холестеринами». Накопление липопротеинов приводит к отложению жировых бляшек на внутренней стенке сосудов и развитию атеросклероза. На картинке представлены продукты, обладающие подобными полезными свойствами.

Польза нерастворимых пищевых волокон крайне велика. Ниже представлены основные полезные свойства:

  • увеличивают сократимость стенки кишечника, ускоряя тем самым перистальтику;
  • являются эффективным средством для профилактики запоров;
  • эффективны в комплексном лечении нарушения стула;
  • способствуют выведению токсических веществ и ядов из организма;
  • регулируют кислотность в просвете кишечника;
  • снижают риск развития опухолевых и воспалительных заболеваний толстого кишечника.

Положительное влияние пищевые волокна оказывают на состояние кожных покровов. Выводя из организма грибки и бактерии, они способствуют очищению кожи, уменьшают количество угревой сыпи и прыщей. Сильной доказательной базы этот факт не имеет, но многие, кто пробовал, согласны с этим утверждением.

Некоторые исследователи говорят, что полезное свойство пищевых волокон – эффективность в комплексной терапии аллергических реакций и бронхиальной астмы. Это объясняют тем, что в развитии аллергии играет роль нарушение микрофлоры кишечника. А клетчатка способна восстанавливать нормальное соотношение микроорганизмов.

Клетчатка для похудения

Справиться с лишним весом поможет диета на клетчатке. Причем этим полезным свойством обладают как растворимые, так и нерастворимые волокна. Первый тип углевода надолго сохраняет чувство сытости, тем самым заставляя человека принимать меньше пищи. Вторая разновидность стимулирует перистальтику кишечника. За счет этого сахара и жиры в меньшей мере всасываются в организм. Большая их часть выводится наружу.

Важно! Клетчатка эффективно снижает вес только при комплексном ее применении вместе с диетой и физическими нагрузками.

Как принимать клетчатку для похудения

Польза клетчатки для похудения достигается при употреблении аптечной клетчатки и продуктов, которые богаты ею. Если говорить об аптечных углеводах, в целях похудения принимают до 60 г в день вещества. Для этого 1 ст. л. покупной клетчатки разводят в 250 мл воды. Раствор пьют за полчаса до еды. В день разрешается пить не более 6 ст. л.

Наибольший минус раствора из пищевых волокон – неприятный вкус. Если человек чувствителен к нему, волокна можно добавлять в готовые блюда. Углеводы не испортят вкус супов, бульонов, йогуртов. Они увеличивают сытость блюда, не влияя на его калорийность.

Некоторые диетологи рекомендуют 1 раз в месяц делать разгрузочный день. При этом за 24 часа разрешено только пить кефир и съедать 6 ст. л. клетчатки. Максимально допустимый разгрузочный период – 3 дня. Если сидеть на такой жесткой диете дольше, это приведет к истощению организма и принесет один лишь вред.

Как правильно употреблять клетчатку

Для людей, регулярно питающихся преимущественно полуфабрикатами или выпечкой, будет трудно сразу же потреблять необходимое количество клетчатки в день. Поэтому ниже представлены правила, которые помогут ввести полезные полисахариды в свой рацион без вреда для здоровья и получить максимум преимуществ от них:

  1. Увеличивать дозу постепенно, пока не будет достигнута суточная норма.
  2. Повышая потребление сахаридов, увеличивать количество выпитой воды.
  3. Овощи и фрукты кушать в сыром виде. Допускается только легкая обжарка, приготовление на пару или тушение.
  4. Больший процент волокон содержится в кожуре, а не в мякоти овоща или фрукта. Поэтому если есть возможность, продукты не чистить.
  5. Есть продукты с клетчаткой в первой половине дня, чтобы обеспечить организм энергией на весь день.

Сколько клетчатки нужно в день

В среднем человеку в сутки необходимо употреблять 20-30 г пищевых волокон. Данная суточная норма справедлива для взрослых и детей. Люди с повышенной потребностью в энергии потребляют большее количество волокон. Например, спортсмены при наборе массы съедают 40 г в сутки.

В урбанизированном мире человек потребляет в 2-3 раза меньше клетчатки, чем положено. Это связано с тем, что большинство предпочитает легкоусвояемые углеводы: пирожные, хлеб, булки, полуфабрикаты. В таких продуктах количество пищевых волокон крайне мало. Поэтому жителям городов нужно серьезно задуматься над своим рационом.

Источники клетчатки

Многие слышали о пользе овощей и фруктов дли желудочно-кишечного тракта благодаря высокому содержанию в них пищевых волокон. Но на самом деле существуют другие продукты с большим количеством клетчатки. Кроме того, в аптеке можно купить готовые сухие пищевые волокна. Они пользуются спросом у людей, желающих похудеть, спортсменов, больных запорами.

Сухая клетчатка

Польза клетчатки в сухом виде не отличается от таковой в овощах, фруктах и других продуктах. Несомненное преимущество порошковых полисахаридов – удобство использования. Можно точно рассчитать, какая доза вещества поступает в организм. Поэтому сухие волокна применяются в лечебных целях, для похудения. Существует несколько разновидностей углеводов в порошке:

  • пшеничные;
  • сибирские;
  • из семян льна;
  • из семян расторопши;
  • тыквенные;
  • овсяные;
  • конопляные.

Пшеничная

Пользу в пшеничной клетчатке точно найдут люди с лишним весом. Она относится к группе растворимых волокон. Попадая в желудочно-кишечный тракт, она разбухает. Благодаря этому чувство голода отсутствует еще несколько часов.

Полисахариды, получаемые из пшеницы, имеют в своем составе целлюлозу и лигнин. Эти элементы благотворно влияют на стенку толстого кишечника. Они способствуют репарации (восстановлению) слизистой оболочки, очищают ее от шлаков.

Сибирская

Очень распространена в России сибирская клетчатка. Ее изготавливают множество компаний. Помимо порошка, можно встретить сухие смузи, йогурты, травяные чаи и даже мармелад с содержанием пищевых волокон.

Польза сибирской клетчатки, как и пшеничной, заключается в снижении веса и очищении кишечника. Данный препарат не относятся к группе лекарств. Он считается биологически активной добавкой. Отличие сибирских волокон от обычных отрубей – отсутствие лишних примесей.

Важно! При употреблении клетчатки для похудения ее запивают большим количеством воды. Благодаря этому она разбухает и устраняет чувство голода на несколько часов.

Антиоксидантные и противоаллергические свойства еще больше увеличивают пользу сибирской клетчатки для организма.

Из семян расторопши

Помимо уже перечисленных выше полезных свойств всех разновидностей пищевых волокон, клетчатке из семян расторопши приписывают гепатопротекторный эффект. Она защищает клетки печени (гепатоциты) от воздействия токсических веществ: алкоголя, медикаментов, солей тяжелых металлов. Полисахариды способствуют образованию новых клеток взамен разрушенных старых.

Из льняного семени

Семена льна помимо пищевых волокон содержат большое количество слизи. Она обладает обволакивающим эффектом. После приема горсти семян слизь покрывает оболочку желудка и кишечника. Поэтому лен используют в комплексной терапии воспалительных и язвенных заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Сами пищевые волокна из льняного семени обладают антиоксидантными свойствами. А теплый настой помогает избавиться от сухого кашля.

Тыквенная

Тыквенная клетчатка – это диетический продукт. При регулярном ее приеме улучшается общее состояние организма. Она способствует снижению веса, повышает иммунный ответ организма, улучшает работу кишечника.

Овсяная

Овсяные пищевые волокна – одно из наиболее эффективных средств в борьбе с запорами. После приема 1 ст. л. продукта через 8 часов наступает испражнение кишечника.

Внимание! При длительных запорах, сопровождающихся ухудшением общего состояния, необходима консультация гастроэнтеролога или хирурга.

Конопляная

Польза конопляной клетчатки, прежде всего, заключается в снижении массы тела. Регулярный прием этой пищевой добавки в комплексе с упражнениями и рациональной диетой эффективно уменьшает слой подкожного жира. Кроме того, она улучшает иммунитет, снижает уровень холестерина, замедляет старение клеток и предотвращает их гибель.

Продукты богатые клетчаткой

Пользу продуктов, содержащих клетчатку, сложно переоценить. Блюда с ее содержанием должны присутствовать в ежедневном рационе каждого. Продукты с пищевыми волокнами недорогие. Они просты в приготовлении. Поэтому с внедрением их в свой рацион проблем быть не должно. В таблице представлены самые богатые волокнами продукты питания.

Продукт питания

Содержание пищевых волокон в 100 г продукта

Отруби

42-45 г

Семена льна

20-30 г

Грибы

22-25 г

Высушенные фрукты

10-15 г

Крупы из цельных зерен (гречневая, овсяная)

8-12 г

Бобы (нут, чечевица, фасоль)

10-13 г

Хлебобулочные изделия из цельных зерен

9-10 г

Ягоды

6-7 г

Фрукты

3-5 г

Цифры в таблице условны, количество волокон может варьироваться в большую или меньшую сторону. Но однозначно то, что отруби, льняное семя, грибы и сухофрукты наиболее богаты этими полисахаридами. Употребление 100 г отрубей в день полностью обеспечивает человека суточной потребностью в клетчатке.

Овес содержит особый вид волокна под названием бета-глюкагон. Он наиболее активно снижает уровень холестерина в крови. Поэтому регулярное употребление в пищу овсяной каши – эффективная профилактика атеросклероза. Чтобы повысить содержание полезных полисахаридов, в кашу можно добавить сухофрукты.

Клетчатка в таблетках

Практически любой вид клетчатки можно встретить в порошковой и таблетированной формах. Преимущество таблеток – удобство применения, точный подсчет дозы. Волокна в данной лекарственной форме выпускают из микрокристаллической целлюлозы (МКЦ). Это вещество, производимое из жестких частиц, которые выделяют из хлопка. По своему составу и свойствам они соответствуют натуральным аналогам.

Увеличивают дозу таблеток постепенно, пока не доходят до рекомендованной суточной нормы – 50 шт. Важно помнить, что никакие таблетки не смогут полностью заменить натуральные волокна.

Вред клетчатки

Порошки и таблетки с пищевыми волокнами не причисляют к медикаментам. Но они, как и лекарства, могут принести много вреда при неправильном приеме. Противопоказано употреблять пищевые добавки людям, страдающим диареей. Ведь сильный слабительный эффект только усугубит проблему.

Если одновременно принимать лекарства и пищевые волокна, соотношение пользы и вреда клетчатки в порошке меняется не в лучшую сторону. Слабительный и сорбирующий (всасывающий) эффекты пищевой добавки препятствуют полноценному поступлению медикаментов в организм. Эффективность лекарств снижается.

Порошок расторопши может принести много вреда людям с повышенной чувствительностью к этому растению. У них появляется тошнота, рвота, головная боль. В таком случае необходим отменить прием добавки.

Противопоказания к употреблению клетчатки

Клетчатку не рекомендуется принимать следующим категориям людей:

  • с аллергией на продукты, содержащие пищевые волокна;
  • страдающим диареей;
  • с серьезными патологиями печени;
  • беременным и матерям, кормящим грудью;
  • с обострением язвы желудка или гастрита (кроме семян льна).

Предупреждение! Перед началом приема аптечной клетчатки необходимо проконсультироваться с врачом!

Как выбрать клетчатку

При выборе клетчатки стоит обратить внимание на то, из какого растения она получена. Если ранее отмечались аллергические реакции на это растение, следует рассмотреть другие варианты. Также обращают внимание на желаемый эффект: похудение, лечение запоров, укрепление иммунитета.

Заключение

Польза и вред клетчатки действительно несоизмеримы. Пищевые волокна обладают множеством полезных свойств: снижают массу тела, улучшают работу кишечника, повышают иммунитет. Необходимо помнить, что клетчатку принимают короткими курсами. При длительном употреблении ухудшается всасывание полезных веществ, что приносит больше вреда, чем пользы.

Отзывы врачей

Пономаренко Виктор Викторович, 50 лет, г. Уфа

Употребление клетчатки для похудения короткими курсами (до 1 месяца) в разумных количествах (до 60 г в сутки) эффективно избавляет от лишнего веса. При подсчете дозы очищающей клетчатки, потребляемой в день, нужно учитывать углеводы, которые поступают с овощами, фруктами, кашами. Чтобы снижение лишнего веса было еще более существенным, я советую пациентам придерживаться здорового питания, заниматься спортом.

Козлова Оксана Сергеевна, 34 года, г. Симферополь

Моя специальность – гастроэнтерология. Всем своим пациентам с нарушением проходимости кишечника я назначаю диету с высоким содержанием пищевых волокон. Ведь в этом состоит основное полезное свойство клетчатки – стимуляция перистальтики кишечника.

Отзывы и результаты похудевших

Маслова Любовь Дмитриевна, 30 лет, г. Москва

Диету, основанную на клетчатке с кефиром, мне посоветовала подруга. Она сидела на ней около месяца и за это время сбросила 4 кг. Я тоже решила попробовать. Это оказалось очень эффективным средством. Я использовала сибирскую клетчатку. За 4 недели применения скинула 6 кг! После одной ложки с кефиром сытость чувствуется полдня. Разница до и после сибирской клетчатки налицо!

Полевая Елена Андреевна, 40 лет, г. Краснодар

Я сильно поправилась после 2 родов. Набрала около 10 кг. Вычитала в интернете, что помогает снизить вес диета с клетчаткой. Поэтому стала кушать много отрубей, грибов, овощей и фруктов. Ела несколько ложек конопляной сухой клетчатки. Первые результаты появились через полтора месяца – минус 3 кг. И вес продолжает падать дальше!

Была ли Вам данная статья полезной?

Да Нет

целлюлоза | Определение, использование и факты

Целлюлоза , сложный углевод или полисахарид, состоящий из 3000 или более единиц глюкозы. Основной структурный компонент стенок растительных клеток, целлюлоза составляет около 33 процентов всего растительного вещества (90 процентов хлопка и 50 процентов древесины составляют целлюлоза) и является наиболее распространенным из всех встречающихся в природе органических соединений. Неперевариваемая человеком целлюлоза является пищей для травоядных животных (, например, коров, лошадей), поскольку они сохраняют ее достаточно долго для переваривания микроорганизмами, присутствующими в пищеварительном тракте; простейшие в кишечнике таких насекомых, как термиты, также переваривают целлюлозу.Целлюлоза, имеющая большое экономическое значение, перерабатывается для производства бумаги и волокон и химически модифицируется для получения веществ, используемых при производстве таких предметов, как пластмассы, фотопленки и вискоза. Другие производные целлюлозы используются в качестве клея, взрывчатых веществ, загустителей для пищевых продуктов и во влагонепроницаемых покрытиях.

Структуры обычных волокон. Encyclopdia Britannica, Inc.

Британская викторина

Человеческое тело

Какая часть человеческого тела состоит из крови?

.

Экологически чистый текстиль из целлюлозы - ScienceDaily

Целлюлоза производится из сосны и пихты и может стать экологически чистым текстильным волокном в будущем, согласно исследованию производства целлюлозы, представленному в докторской диссертации в Карлстадском университете в Швеции.

Население мира увеличивается, как и средний доход, а это означает, что растет спрос на одежду и другие текстильные изделия. Мировое потребление текстиля в 2050 году, по оценкам, будет в три раза выше, чем в 2015 году.Производство хлопка, который использовался в качестве основного волокнистого сырья, сократится, поскольку для производства продуктов питания потребуется больше земли. В настоящее время около 60% текстильных изделий производится из нефти, но, поскольку нефть не является возобновляемым сырьем, она больше не будет доступна в недалеком будущем. Новое экологически чистое и возобновляемое текстильное сырье необходимо для удовлетворения будущих потребностей.

Растущий спрос на текстильные волокна из лесного сырья

Часто отмечают, что лесная промышленность сталкивается с проблемой снижения продаж в результате меньшего потребления бумаги.Спрос на газеты и листы бумаги падает, тогда как спрос на экологически чистые текстильные волокна на основе лесов растет.

«Наш исследовательский проект включает два типа сульфитной варки древесины ели и сосны», - говорит Рагху Дешпанде, кандидат химических наук в Карлстадском университете. Цель проекта состоит в том, чтобы способствовать пониманию того, что происходит в процессе сульфитной варки целлюлозы из мягкой древесины, когда конечный продукт растворяет целлюлозу, то есть почти чистую целлюлозу, а также изучить возможность дальнейшего улучшения сульфитного процесса для достижения лучшая экономическая эффективность.

Исследование проводилось в промышленной аспирантуре VIPP при финансовой поддержке Домсйо Фабрикера, MoRe Research, Kempestiftelsen и KK Foundation. VIPP выступает за ценности, создаваемые в процессах и продуктах на основе волокна, и представляет собой сотрудничество академических и промышленных кругов с целью укрепления исследовательской среды Карлстадского университета, а также профессионального развития в отраслях.

Это исследование направлено на получение новых знаний о сульфитной технологии. В исследовании рассматриваются важнейшие аспекты производства целлюлозы на основе более дешевого сырья для производства целлюлозы.Результаты исследований полезны для производства еще более качественной сульфитной целлюлозы, и в долгосрочной перспективе могут быть созданы новые сульфитные мельницы.

«Наше исследование показывает, что различное сырье можно смешивать и при этом получать целлюлозу высочайшего качества», - говорит Рагху Дешпанде. «Возможность производить прибыльные побочные продукты, такие как этанол, также делает производственный процесс более устойчивым на благо общества и окружающей среды».

История Источник:

Материалы предоставлены Карлстадским университетом . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

.

Самосборка и межмолекулярные силы при взаимодействии целлюлозы и воды с использованием молекулярного моделирования

Цепи целлюлозы линейны, а агрегация происходит как через внутри-, так и через межмолекулярные водородные связи. Целлюлоза имеет сильное сродство к самой себе и к материалам, содержащим гидроксильные группы. Основываясь на преобладании гидроксильных функциональных групп, целлюлоза очень реактивна с водой. При комнатной температуре цепи целлюлозы будут иметь, по крайней мере, связанный с ними мономолекулярный слой воды.Показано, что образование водородных связей на границе раздела целлюлоза / вода существенно зависит от места адсорбции, например, экваториальных гидроксилов или фрагментов ОН, направленных наружу от цепей целлюлозы. Силы vdW также вносят значительный вклад в энергию адсорбции. Они представляют собой значительную энергию сцепления в целлюлозной сети. На поверхности целлюлозных цепей теряются многие межмолекулярные водородные связи целлюлозных цепей. Однако они компенсируются водородными связями с молекулами воды.Электронные облака могут искажаться и создавать электростатические диполи. Большое разрыхляющее электронное облако, которое существует вокруг глюкозидных связей, создает индуцированную поляризацию при приближении молекул воды. Электронное облако может искажаться и создавать электростатический диполь. Это относится к полному смещению атомов в материале. Орбитали играют особую роль в механизме реакции. Гидрофильная / гидрофобная природа целлюлозы основана на ее структурной анизотропии. Взаимодействие целлюлозы с водой является экзотермической реакцией.Эти взаимодействия могут происходить спонтанно и приводить к большей случайности системы. Они обозначаются отрицательным тепловым потоком (тепло теряется в окружающую среду). Для взаимодействия целлюлозы с водой не требуется подводить энергию.

1. Введение

Разработка материалов, полученных из возобновляемых источников, является важной опорой в движении к устойчивости нашего общества. Целлюлоза - это самый распространенный в мире природный биоразлагаемый полимер и возобновляемый органический материал, производимый в биосфере.Он широко распространен у высших растений, у некоторых морских животных и в меньшей степени у водорослей, грибов, бактерий, беспозвоночных и даже амеб. Предполагается, что производство целлюлозы закончено.

В клетке древесного растения линейные цепи целлюлозы, называемые микрофибриллами, имеют приблизительно размер в поперечном сечении и неопределенную длину. Независимо от источника, натуральная целлюлоза [C 6 H 10 O 5 ] n ; (От 10000 до 20000, где зависит от целлюлозного материала) может быть охарактеризован как высокомолекулярный гомополимер связанных мономеров ангидро-D-глюкозы, организованный в кристаллическую структуру, в которой каждая единица повернута на 180 ° относительно своих соседей, и повторяющийся сегмент часто рассматривается как димер глюкозы, известный как целлобиоза (рис. 1) [1].Целлюлоза состоит из β -D-глюкопиранозных колец, которые принимают конформацию кресла 4 C 1 , которые связаны вместе () -глюкозидными связями [2]. В природе кристаллическая целлюлоза (целлюлоза I) встречается в двух формах, называемых I α и I β , и ее структура была установлена ​​в 1984 году путем кросс-поляризационного вращения под магическим углом (CP-MAS) [3, 4].


Целлобиоза (C 12 H 22 O 11 ) представляет собой дисахарид с формулой [HOCH 2 CHO (CHOH) 3 ] 2 O.Целлобиоза состоит из 2 молекул глюкозы (двух единиц D-глюкопиранозы), соединенных 1,4, -бета-гликозидной связью. Целлобиоза имеет 8 групп свободного спирта (ОН), 1 ацетальную связь и 1 полуацетальную связь, которые приводят к возникновению сильных меж- и внутримолекулярных водородных связей (рис. 2). Целлобиоза не усваивается людьми и не ферментируется дрожжами. Его растворимость в воде составляет 12 г / 100 мл. Целлобиозные единицы восстанавливают сахара, потому что аномерные атомы углерода в правом сахаре являются частью полуацеталя.

.

Целлюлоза - биоматериал со свойством направления клеток

1. Введение

Биоматериал определяется как материал, созданный руками человека или природный, предназначенный для взаимодействия с биологическими системами. Он не оказывает химического воздействия на организм и, следовательно, не нуждается в метаболизме, чтобы быть активным, как, например, лекарства [1]. При введении в тело индуцируется местная воспалительная реакция тканей, называемая реакцией на инородное тело [2]. Эта реакция может как благоприятствовать, так и отрицательно влиять на процесс восстановления тканей.

Целлюлоза и ее производные хорошо переносятся большинством тканей и клеток [3-5]. Эти нетоксичные материалы обладают хорошей биосовместимостью, поэтому они предлагают несколько возможностей для медицинского применения. Регенерированные целлюлозные губки также использовались в экспериментальной хирургии на протяжении десятилетий, поскольку они не влияют на процесс заживления, но действуют как хемоаттрактант, побуждая клетки, участвующие в процессе восстановления, мигрировать к нему [6-8].

Мы изучили различные биоматериалы, включая целлюлозу, в поисках оптимального заменителя кости.Было показано, что при дефектах костей регенерированная целлюлоза, поддерживаемая хлопковыми волокнами, в некоторой степени способствует росту новой кости [9-11]. Окисление периодатом и перекисью водорода или карбаминирование еще больше улучшило его биосовместимость, но недостаточно для использования в качестве заменителя кости. Мы также ожидали увеличения остеостимулирующих свойств регенерированной целлюлозы путем покрытия ее гидроксиапатитом (ГА), богатым диоксидом кремния, поскольку он напоминает минеральный состав кости. К нашему разочарованию, целлюлоза, покрытая гиалуроновой кислотой, не способствовала образованию костей, а, напротив, способствовала воспалению и фиброплазии.Поскольку исследование костного имплантата неожиданно показало огромную способность НА-имплантатов индуцировать грануляцию ткани, целлюлозу с покрытием также тестировали подкожно. Эти исследования показали, что целлюлоза, покрытая ГК, привлекала не только воспалительные клетки, но также клетки-предшественники костного мозга как гематопоэтического, так и мезенхимального происхождения (см. Вставку 1). В этой главе мы обсудим целлюлозу в качестве материала имплантата с акцентом на направляющие клетки свойства регенерированной целлюлозы, покрытой ГК, богатой диоксидом кремния.

2. Целлюлоза для медицинских применений и в качестве матрицы тканевой инженерии

Целлюлоза, наиболее распространенное органическое соединение на Земле, разлагается микробными ферментами. Клетки животных не могут расщеплять β (1 → 4) -связь между двумя остатками глюкозы в целлюлозе. Таким образом, разложение целлюлозы в тканях происходит за счет медленного неферментативного гидролиза β (1 → 4) -связи, и поэтому целлюлозу можно рассматривать как почти стабильную матрицу. Несмотря на это, целлюлоза и ее производные хорошо переносятся клетками и тканями и вызывают умеренно сильную реакцию тканей на инородное тело [3-8].

Целлюлоза нетоксична и обладает хорошей биосовместимостью, поэтому она предлагает несколько возможностей для медицинского применения. Целлюлоза и ее производные используются, среди прочего, в качестве материалов для покрытий для лекарств, добавок к фармацевтическим продуктам, коагулянта крови, подложек для иммобилизованных ферментов, искусственных мембран почек, стационарных фаз для оптического разрешения, при уходе за ранами и в качестве материала имплантатов и каркасов в тканевая инженерия [3, 12].

2.1. Регенерированная целлюлоза

Губки из целлюлозы могут быть изготовлены путем добавления поддерживающих укрепляющих волокон (хлопковые волокна длиной 8-10 мм; около 20% веса целлюлозы) и кристаллов сульфата натрия в качестве порообразующего материала в раствор целлюлозной вискозы (ксантогената натрия). (4-6 г целлюлозы / 100 г вискозы).Целлюлозу регенерируют путем нагревания раствора на водяной бане, после чего губку промывают горячей водой, обрабатывают разбавленной кислотой и отбеливающим раствором гипохлорита натрия и, наконец, многократно промывают в дистиллированной воде перед сушкой и стерилизацией [20, 21]. При подкожном введении в эту целлюлозную губку быстро врастает жизненно важная и хорошо васкуляризованная восстанавливающая ткань, называемая грануляционной тканью. Благодаря этой хорошей способности к формированию грануляционной ткани целлюлозные губки использовались в экспериментальной хирургии на протяжении десятилетий [6, 7, 22], а подкожная имплантация целлюлозной губки является широко распространенным методом исследований заживления ран (см. Вставку 2) [8, 23].Несколько продуктов из целлюлозы для заживления ран (например, Cellospon®, Cellstick®, Sponcal®, Visella® и Absorpal®) коммерчески доступны. Эти изделия изготовлены из губчатой ​​формы вискозной целлюлозы и имеют однородную пористую структуру, характеризующуюся тонкими стенками пор с одним или несколькими межпоровыми отверстиями. Они эластичны и могут многократно сжиматься и расширяться без повреждения их внутренней структуры, тем самым обеспечивая свободный вход вторгающихся клеток во внутренние части губки [24].

Реакции хозяина после имплантации биоматериалов включают травмы, взаимодействия крови и материала, формирование временного матрикса, воспаление, развитие грануляционной ткани, реакцию на инородное тело и развитие фиброза / фиброзной капсулы [25]. При подкожной имплантации происходит взаимодействие крови и материала с адсорбцией белка на целлюлозной губке и временном временном матриксе на основе крови, сгустке крови; образуется на губке и вокруг нее. Тромбоциты, происходящие из поврежденных кровеносных сосудов, не только участвуют в гемостазе, но также высвобождают биоактивные агенты, такие как цитокины и факторы роста, которые будут привлекать воспалительные и фагоцитозирующие клетки.Первыми поступают клетки - полиморфноядерные лейкоциты, то есть нейтрофилы, которые характерны для острой воспалительной реакции. Эти клетки секретируют провоспалительные цитокины, которые, в свою очередь, привлекают циркулирующие моноциты, которые активируются и превращаются в ткани в макрофаги, которые убивают бактериальные патогены, удаляют остатки ткани и разрушают оставшиеся нейтрофилы. Макрофаги, прикрепляющиеся к поверхности биоматериала, также могут сливаться с образованием многоядерных гигантских клеток инородного тела. В их попытке фагоцитозировать биоматериал, прикрепленные макрофаги становятся активными [25].Высвобождая множество хемотаксических, неоваскулогенных факторов и факторов роста, которые стимулируют миграцию клеток, пролиферацию и образование новых кровеносных сосудов и тканевого матрикса, макрофаги опосредуют переход от воспалительной фазы к пролиферативной фазе. Во время фазы пролиферации временный внеклеточный матрикс в целлюлозной губке постепенно замещается грануляционной тканью, которая формируется из инфильтрированных зрелых фибробластов и быстро пролиферирующих мезенхимальных стромальных клеток (МСК), дифференцирующихся в фибробласты in situ .Вновь образованный внеклеточный матрикс богат кровеносными сосудами, которые переносят кислород и питательные вещества для поддержания метаболических процессов. Губка окружена хорошо васкуляризованной фиброзной капсулой, которая становится несколько тоньше во время финальной фазы ремоделирования [38].

Подобная биосовместимая регенерированная целлюлоза, разработанная для исследований заживления ран, также была протестирована в качестве основы для инженерии хрящевой ткани. Хотя целлюлозная губка обеспечивала нетоксичную среду для хрящевых клеток, конструкция оставалась мягкой и не имела состава внеклеточного матрикса, типичного для нормального суставного хряща [26].При имплантации в костные дефекты регенерированная целлюлоза, усиленная хлопковыми волокнами, в некоторой степени способствовала росту новой кости [9-11].

2.1.2. Гидроксиапатитное покрытие из регенерированной целлюлозы

На количество клеток и прорастающих тканей до определенного предела влияют пористость, размер пор и толщина стенок пор целлюлозной губки [8]. Мы предположили, что покрытие регенерированной целлюлозы гидроксиапатитом (ГА), который по минеральному составу напоминает кость, улучшит ее костеобразующие свойства.Минерал получен из особого биоактивного стекла S53P4 (23% Na 2 O, 20% CaO, 4% P 2 O 5 , 53% SiO 2 ), которое имеет хорошую остеокондуктивность и проходит клинические испытания. используйте [27-32]. Однако стекло как таковое трудно обрезать до нужного размера и формы. Кроме того, он хрупкий и хрупкий, и поэтому не подходит для участков, подверженных нагрузкам, таких как дефекты бедренной и большеберцовой кости.

В наших исследованиях слой фосфата кальция был осажден на целлюлозные губки (10 x 100 x 100 мм) со средним размером пор от 50 до 350 мкм биомиметическим методом Кокубо и др. [33].Минерализацию инициировали в 500 мл стерильной моделированной жидкости организма (SBF) с добавлением 2,0 г биоактивного стекла при 37 ° C в течение 24 часов, а затем выращивали в 500 мл стерильного 1,5 x SBF в течение 14 дней при той же температуре и непрерывном встряхивании. . Раствор SBF меняли через день. Сформированный слой фосфата кальция, богатый кремнеземом, был проверен с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 1) и охарактеризован с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье [11]. (1 x SBF = 136,8 мМ NaCl, 4.2 мМ NaHCO 3 , 3,0 мМ KCl, 1,0 мМ K 2 HPO 4 x 3H 2 O, 1,5 мМ MgCl 2 x 6H 2 O, 2,5 мМ CaCl 2 и 0,5 мМ Na 2 SO 4 , pH 7,4; концентрация ионов близка к плазме человека)

Стерильные ГК-целлюлоза и необработанные целлюлозные губки размером 2,3 x 3 x 8 мм были имплантированы в дефекты бедренной кости самцов крыс в возрасте 10-13 недель (подробнее см. [11] ) и наблюдались в течение 52 недель.Имплантаты были проанализированы гистологически, а также биохимическими и молекулярно-биологическими методами. Слой ГК не улучшал рост кости в целлюлозной губке. Фактически, новая кость была в основном сформирована под имплантатом на дне дефекта, оставляя имплантат заполненным хорошо васкуляризованной фиброзной тканью, богатой воспалительными клетками (рис. 2). Воспалительная реакция была намного сильнее, чем в случае целлюлозы без покрытия, на что указывает большее количество воспалительных клеток.

Рисунок 1.

СЭМ-микрофотография регенерированных целлюлозных губок без покрытия и с покрытием из ГК (полоса = 50 мкм). Слой гидроксиапатита инициировали в стерильном 1 × SBF с биоактивным стеклом при 37 ° C в течение 24 часов и затем выращивали в стерильном 1,5 × SBF при той же температуре в течение 14 дней при непрерывном встряхивании.

Рисунок 2.

ГК-покрытие из целлюлозы предотвращает рост костей. Через год после имплантации в дефект бедренной кости крысы рост новой кости (nb) в основном наблюдается под (стрелками) имплантата HA (a), который был вытолкнут из области дефекта.Сам имплантат HA (b) в основном заполнен мягкой соединительной тканью, содержащей большое количество гигантских клеток (стрелки). Имплантат из целлюлозы без покрытия (c) способствует росту новой кости, а неокостеневшие части содержат меньше воспалительных клеток. (a и c; окраска по Ван Гизону; b и d окраска гематоксилин-эозином; cf = фрагмент целлюлозы; масштабная линейка = 100 мкм, модифицировано из [11]).

включая макрофаги и клетки инородного тела, что также является признаком хронического воспаления. Активированные воспалительные клетки продуцируют множество провоспалительных биоактивных агентов, таких как фактор некроза опухоли-альфа (TNF-α), который, как известно, мешает специфическому для кости фактору транскрипции Cbfa1 и подавляет функцию дифференцированных остеобластов [34,35].Таким образом, непрерывное воздействие этих агентов может ингибировать дифференцировку клеток-предшественников в остеобласты, образующие кость, что, по крайней мере частично, объясняет меньшее количество остеоидной ткани в целлюлозных имплантатах, покрытых ГК. Более того, слой HA действительно усиливал прикрепление трансформирующего фактора роста бета 1 (TGFβ1) [11], фактора роста, участвующего в фиброплазии. Следовательно, поверхность ГК не давала никаких преимуществ по сравнению с необработанной целлюлозой в заживлении кортикальных дефектов кости.

2.2. Эффект повышенной биоразлагаемости целлюлозы

Другой подход к улучшению биосовместимости целлюлозы заключался в изменении ее химической структуры с целью повышения ее биоразлагаемости.Мягкое отбеливание и окисление регенерированной целлюлозы гипохлоритом натрия, проводимые во время изготовления целлюлозной губки, не расщепляют глюкозное кольцо, и полученная целлюлоза не поддается биологическому разложению, что, вероятно, предотвращает полное окостенение имплантированной губки. Поэтому в поисках подходящих заполнителей костных дефектов мы расширили разработку материала двумя последовательными стадиями окисления. Сначала целлюлозу окисляли периодатом в течение 1-3 часов. Это лечение открывает некоторые молекулы глюкозы и теоретически должно сделать их более восприимчивыми к глюкозидазам и другим ферментам, способным к расщеплению углеводов.Избыток периодата промывали аскорбатом или тиосульфатом и водой перед вторым окислением перекисью водорода (H 2 O 2 ) в течение 3 или 4 часов. Поскольку реакции окисления не были завершены, полученные материалы представляют собой комбинации 2,3-диальдегида и 2,3-дикарбоксилцеллюлозы. Биоразлагаемость целлюлозы проверяли в SBF в течение 7, 15 и 30 дней. Окисление в течение 3 ч в периодате с последующими 4 ч в H 2 O 2 оказалось наилучшей комбинацией, поскольку 70% материала растворилось.Поэтому этот материал был использован для дальнейших испытаний. В культурах фибробластов цитотоксичности не наблюдалось. Материал необходимо стерилизовать 70-95% этанолом или оксидом этилена, поскольку автоклавирование разрушает пористую структуру каркасов.

Результаты экспериментов по имплантации кости (рис. 3 a, b) показали, что окисленные каркасы были сплющены, их поры исчезли, а материал был полностью заменен клетками, так что видимых фибрилл целлюлозы в местах имплантации не наблюдалось.Деградация не была полной, поскольку фагоцитирующие клетки были полны гомогенного материала. Однако примечательно, что в окисленных образцах не наблюдались гигантские клетки, тогда как нормальная целлюлоза всегда индуцирует ряд гигантских клеток инородного тела. Если губки окислялись более сильно, их структуры разрушались, и материал нельзя было использовать для имплантации. С другой стороны, имплантированные каркасы не показали какого-либо значительного роста кости. Вместо этого они состояли из клеточных масс, которые гистологически были удивительно однородными.На месте, противоположном имплантату, выросла новая кость, укрепив место дефекта. Несмотря на улучшенную биоразлагаемость, окисленная целлюлоза считалась бесполезной в качестве заменителя костей.

Рис. 3.

Окисление периодатом и h3O2 увеличивает биосовместимость и разложение целлюлозы. Окисленная целлюлоза (a, b) позволяет формировать новую костную ткань (nb) при имплантации в дефекты бедренной кости (fb) крысы. (cs = целлюлозный каркас, bm = костный мозг, m = мышца, покрывающая место имплантата, стрелки указывают на остеобласты, выстилающие новую кость; окраска гематоксилин-эозином; масштабные полосы = 100 мкм (a) и 25 мкм (b)) .

Биоразложение целлюлозы также можно улучшить, обработав ее мочевиной. Полученная карбаминоцеллюлоза показала повышенную растворимость, которую можно регулировать продолжительностью обработки. Основная цель заключалась в разработке материала, который можно было бы использовать в качестве носителя для лекарств в таблетках или, возможно, для подкожного длительного введения лекарств. Маленькие круглые или овальные целлюлозные жемчужины диаметром 50-500 мкм могут быть изготовлены из обычной или карбаминоцеллюлозы путем капания вискозы в раствор, содержащий 100 г H 2 SO 4 и 200 г Na 2 SO 4 / l при 20 ° C с последующим центрифугированием [36].Для изготовления целлюлозных жемчужин диаметром 0,5 мм использовались четырех- и шестипроцентные растворы вискозы. Материал собирали, промывали дистиллированной водой и 5 г H 2 SO 4 / л и сушили в течение 24 часов при 40 ° C. Стерилизацию проводили автоклавированием или 70% этанолом.

Для исследований по имплантации несколько жемчужин склеивали альгинатом [37] в формах. Результаты эксперимента по подкожной имплантации (рис. 4 a, b) были обнадеживающими, поскольку имплантированные жемчужины с 4% целлюлозы были инфильтрированы новой грануляционной тканью, и большинство жемчужин показало признаки почти полной деградации, тогда как 6% -ные жемчужины были более устойчивыми во время Срок наблюдения две недели.Интрамедуллярная имплантация в бедренную кость крысы (рис. 3 c-e) показала аналогичное поведение: многие из 4% -ных жемчужин были инфильтрированы новой грануляционной тканью, а некоторые были окружены новой остеоидной тканью. Были некоторые различия в степени деградации; в то время как некоторые жемчужины были полностью переварены, некоторые остались почти нетронутыми. Однако гигантских клеток инородного тела не наблюдалось. Мы не знаем, повлияло ли альгинатное окружение на деградацию жемчуга в костной среде, но для того, чтобы сделать карбаминоцеллюлозу более полезной в медицинских приложениях, структура должна быть дополнительно изменена, чтобы стать еще более уязвимой для атак гидролитических ферментов, особенно если используется для подкожного введения. прием лекарств.

Рис. 4.

Тканевые реакции карбаминоцеллюлозы через две недели после имплантации. Подкожно имплантированные жемчужины с 6% -ной целлюлозой (p) остались нетронутыми и показали лишь умеренную деградацию (a), тогда как б) жемчужины с 4% -ной целлюлозой разложились и инфильтрировались новой грануляционной тканью (gf). Аналогичное поведение наблюдалось в костных имплантатах: c) жемчужины с 6% -ной целлюлозой были окружены тонкой капсулой из соединительной ткани (стрелка), тогда как около половины b) жемчужин с 4% -ной целлюлозой были частично разрушены и окружены костью (nb) или тонкий слой остеоида (ol) даже в области костного мозга (bm).(окраска по Ван Гизону; одинаковое увеличение; масштабная линейка 200 мкм).

2.3. Биологический эффект подкожно имплантированной целлюлозы, покрытой гидроксиапатитом

Исследование костных дефектов показало, что целлюлоза, покрытая ГК, способствует быстрой пролиферации фиброзной ткани вместо образования кости [11]. Поэтому считалось, что он не имеет ценности в качестве материала для замены кости, но может быть полезен в других приложениях, в которых необходимо ускоренное образование грануляционной ткани. Подкожно (рис. 5 а, b) имплантированные богатые диоксидом кремния ГК-имплантаты показали массивную воспалительную реакцию с интенсивной реакцией на инородное тело и усиленную инвазию фиброваскулярной ткани уже через 1-3 дня после имплантации.Такой сильной тканевой реакции не наблюдалось ни с одной другой подкожно имплантированной целлюлозной губкой. Рост тканей в регенерированную целлюлозу без покрытия происходил намного медленнее и происходил в основном на их поверхности (рис. 6). [38]

Подкожно имплантированные ГК-губки активируют воспалительную реакцию и секрецию цитокинов и факторов роста, важных для заживления ран, таких как TGF-β1, TNF-α, фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и фактор роста тромбоцитов A (PDGF-A) Однако долгосрочное исследование показало, что избыточная соединительная ткань

Рисунок 5.

а). Схематическое изображение модели подкожной имплантации, использованной в наших исследованиях. На спине крыс делали два срединных разреза, и стерилизованные, увлажненные губчатые имплантаты (10 × 5 мм) вставляли с двух сторон в подкожные карманы под общей анестезией. б). Подкожно имплантированы целлюлозные губки через 7 дней после имплантации. Имплантаты с покрытием HA имеют более темный цвет, что свидетельствует о высокой клеточности и обильной неоваскуляризации, тогда как имплантаты без покрытия имеют бледный цвет.

Рис. 6.

ГК-покрытие ускоряет рост ткани в подкожно имплантированные целлюлозные губки, а также воспалительную реакцию и образование кровеносных сосудов. a) Срезы, окрашенные гематоксилин-эозином, через 1 (верхний), 3 (средний) и 7 (нижний) дни после имплантации. Стрелки на губках, покрытых ГК, указывают на границу между имплантатом и окружающей капсулой (шкала = 100 мкм). б) Губки, покрытые ГК, содержат большие скопления (стрелки) скопившихся макрофагов (клетки коричневатого цвета).Макрофаги способствуют скоплению рядом с целлюлозными волокнами (наконечник стрелки) (день 5; масштабная линейка = 50 мкм). c) Больше кровеносных сосудов, на что указывает окрашивание CD31, можно увидеть на губке, покрытой ГК 5-дневной давности, по сравнению с губкой без покрытия (шкала = 50 мкм).

Гистологически нормальное образование

никак не беспокоит животных. Через 14 дней после операции реакция на инородное тело в губках, покрытых ГК, начинает уменьшаться. Через один месяц разница между покрытой ГК и непокрытой целлюлозой выровнялась, и в конце исследования через год не было обнаружено явных гистологических различий между покрытой и непокрытой (рис. 7).[38]

Рис. 7.

Гистология подкожных целлюлозных имплантатов. а) Через 14 дней губка, покрытая ГК, заполняется грануляционной тканью (цельные имплантаты, окрашенные по Ван Гизону, масштабная линейка = 1000 мкм). б) Срезы, окрашенные гематоксилином-эозином, через один и три месяца после имплантации, масштабная линейка 100 мкм. c) Через год не наблюдается значительных различий между губками, покрытыми ГК, и губками без покрытия (цельные имплантаты, окрашенные по Ван Гизону, масштабная линейка = 1000 мкм. Модифицировано из [38]).

2.3.1.Перенос клеток и возвращение к регенерированной целлюлозе

Движение клеток и повторная локализация важны для многих фундаментальных физиологических свойств не только во время эмбрионального развития, но также во время заживления ран и восстановления органов. В месте раны местные и инфильтрированные клетки выделяют хемокины, которые привлекают стволовые клетки и клетки-предшественники, циркулирующие в крови. Эти биоактивные агенты также увеличивают подвижность клеток костного мозга, тем самым облегчая мобилизацию клеток в периферическую кровь и, следовательно, в места заживления ран [39].Фактор-1, происходящий из стромы (SDF-1), является одним из мощных хемокинов в переносе стволовых клеток, который регулирует гематопоэтические, эндотелиальные и мезенхимальные клетки-предшественники. Биологические эффекты SDF-1 опосредуются хемокиновым рецептором CXCR4 [40-43]. На ранних стадиях заживления ран, SDF-1, по-видимому, активируется под влиянием провоспалительных факторов, таких как TNF-α, что создает градиент концентрации SDF-1, который запускает набор клеток, экспрессирующих CXCR4, из крови. поток к месту повреждения, где эти клетки далее дифференцируются в другие функциональные ремонтные клетки [44].

Имплантат из минерализованной целлюлозы не только привлекает больше воспалительных клеток, чем целлюлоза без покрытия, но также и циркулирующие стволовые клетки костного мозга как гематопоэтического, так и мезенхимального происхождения [45]. Экспрессия SDF-1 (инвентарный номер серии GEO GSE19748 и GSE19749; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSExxx) активируется в HA-губках вместе с его рецептором. CXCR4 (рисунок 8). Это убедительно указывает на то, что имплантат, покрытый ГК, имеет лучшую способность самонаведения циркулирующих стволовых клеток костного мозга, чем имплантат без покрытия.

Рис. 8.
Целлюлоза, покрытая

НА, содержит большое количество CXCR4-положительных клеток. Многочисленные кластеры (стрелки) и отдельные CXCR4-положительные (коричневатого цвета) клетки выявляются по всей губке, покрытой HA, на 7 день.

Гематопоэтические стволовые клетки, по-видимому, являются первыми стволовыми клетками, вторгшимися в пустые центры HA- покрытые целлюлозные имплантаты (рисунок 9 ac). Более частое появление HSC, скорее всего, отвечает за формирование расширенных кровеносных сосудов в целлюлозе, покрытой HA.Самый ранний гематопоэтический предшественник, гемангиобласт, является именно предшественником клонов как гематопоэтических, так и эндотелиальных клеток не только во время эмбриогенеза, но и у взрослых [14, 46]. Гематопоэтические предшественники, особенно в имплантатах, покрытых ГК, находились в тесном контакте с фрагментами целлюлозы (рис. 10а). Следовательно, покрытие целлюлозы гиалуроновой кислотой создает среду, которая способствует более эффективному перемещению стволовых клеток, чем целлюлоза без покрытия. В костном мозге недифференцированные HSC выявляются вблизи внутренней поверхности костномозговой полости, т.е.е. эндост, в так называемой нише эндостальных стволовых клеток. В этом месте кость постоянно обновляется: кость формируется остеобластами и удаляется определенными макрофагами, остеокластами. Из-за деградации костей растворимые ионы кальция (Ca 2+ ) выделяются в жидкость костного мозга. Различные клетки, включая примитивные HSC, реагируют на внеклеточные концентрации ионного кальция через рецептор, чувствительный к кальцию, CaSR. Этот рецептор, по-видимому, выполняет функцию удержания HSC в непосредственной физической близости к эндостальной поверхности [47].Минеральный слой на целлюлозе напоминает слой кости. Когда многочисленные гигантские клетки / макрофаги инородного тела, собранные вокруг минерализованной целлюлозы, пытаются избавиться от инородного материала, высвобождается Ca 2+ , создавая благоприятную среду для примитивных HSC, поскольку он напоминает нишу эндостальных стволовых клеток в костном мозге. . Эта теория подтверждается многочисленными CaSR-положительными клетками рядом с минерализованными целлюлозными волокнами, в тех же областях, где наблюдаются клетки, положительные по CD34, общему маркеру эндотелиальных клеток.Эти клетки находятся не только в грануляционной ткани, но и в центральных частях имплантата. Подобные клетки наблюдаются в клетках без покрытия, но в значительно меньшем количестве (рис. 9 d-e).

Рисунок 9.

Стволовые клетки расположены рядом с фрагментами целлюлозы. а) Общая гистология, показывающая, что клетки собираются вокруг фрагментов целлюлозы (ср) на 7 день. Стрелки указывают на поры (масштабная полоса = 50 мкм). б). Имплантаты, покрытые HA, содержат многочисленные клетки (стрелка), положительные для c-kit, маркера преждевременных клеток (день 7; масштабная линейка = 25 мкм).c) Маленькие округлые клетки (стрелка), положительные по CD34, обычно используемому маркеру HSC (день 7; масштабная полоса = 25 мкм). Больше CaSR-положительных клеток (красная флуоресценция) наблюдается в имплантатах с покрытием HA на 7 день (d), чем в образце без покрытия (e) (шкала = 25 мкм).

В целлюлозных имплантатах мезенхимальные стволовые клетки в основном находятся в формирующейся грануляционной ткани [45], что связано с тем фактом, что эти примитивные клетки находятся в месте раны и дифференцируются в клетки соединительной ткани, которые производят внеклеточный матрикс грануляционной ткани. [48].Кроме того, МСК секретируют сигналы, которые ограничивают системное и местное воспаление, уменьшают апоптоз в ткани, находящейся под угрозой, стимулируют неоваскуляризацию, активируют местные стволовые клетки, модулируют иммунные клетки и проявляют прямую антимикробную активность [18, 49, 50]. Следовательно, более частое появление МСК в целлюлозной губке, покрытой ГК, скорее всего, способствует усиленному формированию кровеносных сосудов по сравнению с целлюлозой без покрытия и снижению реакции на инородное тело в течение второй недели имплантации.МСК также секретируют много цитокинов, которые стимулируют гемопоэз, в основном клон миолоидных клеток, но МСК, по-видимому, также оказывают поддерживающее действие на эритропоэз, процесс образования красных кровяных телец [51].

2.3.2. Экспериментальная грануляционная ткань экспрессирует гемоглобин

Неожиданным открытием было то, что грануляционная ткань, индуцированная целлюлозной губкой, содержит гемоглобин-продуцирующие гликофорин А-положительные клетки (рисунок 10 ad), что указывает на то, что гемопоэтические клетки-предшественники также способны дифференцироваться в эритропоэтическую линию [52] .Это, в свою очередь, предполагает, что эта восстанавливающая ткань способна производить кровь. Считалось, что у здоровых взрослых глобин экспрессируется только в области костного мозга незрелыми эритропоэтическими предшественниками. Когда зрелый эритроцит или эритроцит выходит из костного мозга, он теряет свое ядро, рибосомы и митохондрии, а это означает, что клетка больше не способна к экспрессии генов. Как и в костном мозге, где эритроидные предшественники созревают вместе с макрофагами [53, 54], обильные макрофаги, особенно в имплантатах, покрытых HA, могут дополнительно поддерживать эритропоэтическую дифференцировку HSC в грануляционной ткани.Данные микрочипов (инвентарный номер серии GEO GSE19748 и GSE19749; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSExxx) выявили многие гены, связанные с эритропоэзом, такие как эритропоэтин и его рецептор EpoR. , факторы трансципции Hif-1α, gata-1 и -2, и особенно Alas2, который экспрессируется исключительно в развивающихся красных кровяных тельцах, называемых эритробластами, и необходим для экспрессии β-глобина [55].

Гемоглобин традиционно считается основным переносчиком кислорода в эритроцитах.Однако многие исследования, в том числе наше [56–65], показывают, что экспрессия гемоглобина гораздо более универсальна, чем предполагалось ранее. Во время формирования грануляционной ткани в целлюлозных губках картина экспрессии гемоглобина была двухфазной [52]. Первый пик появился во время наиболее интенсивной воспалительной реакции в начале процесса заживления перед инвазией HSC, что указывает на то, что в экспрессии гемоглобина участвует также другой тип клеток. Поскольку известно, что активные макрофаги экспрессируют глобин [64], эти клетки (рисунок 10 e-g), скорее всего, ответственны за раннюю экспрессию глобина в грануляционной ткани.В макрофагах глобины, скорее всего, участвуют в процессах, отличных от транспорта и доставки кислорода в ткани. Накапливаются доказательства того, что гемоглобин также связывает, хранит и транспортирует оксид азота. Оксид азота является важной газообразной сигнальной молекулой при заживлении ран [66], участвующей, среди прочего, в формировании грануляционной ткани и новых кровеносных сосудов [67-69]. Хотя оксид азота является предпосылкой успешного заживления ран, избыток этой сигнальной молекулы может быть столь же вредным, как и ее недостаточное производство [67].Тот факт, что интенсивная экспрессия индуцибельной азотоксидазосинтазы (iNOS), фермента, который катализирует

Рис. 10.

, двойное окрашивание подтвердило различные типы гемоглобин-положительных клеток в целлюлозных имплантатах. Грануляционная ткань в целлюлозных губках содержит гемоглобин (а) -продуцирующие гликофорин А-положительные клетки (б), что означает, что гематопоэтические клетки-предшественники способны дифференцироваться в эритроциты. в) Объединенное изображение гемоглобин- и гликофорин А-положительных клеток.г). Эритроциты в кровеносном сосуде в области капсулы НА-имплантата; гемоглобин (верхний) положительный, гликофорин А (средний) и объединенное изображение (нижнее). д) CD-68 положительные клетки, указывающие на макрофаги. Эти же клетки также положительны на гемоглобин (f). (g) Объединенное изображение CD-68- и гликофорин A-положительных клеток (шкала 20 мкм, модифицировано из [52]).

Образование оксида азота, которое отражает производство оксида азота, наблюдаемое в 3-дневном имплантате HA, но не на 10-й день [52], совпадает с сильной воспалительной реакцией, которая начинает уменьшаться на второй неделе имплантации. [38].Производство гемоглобина во время этой фазы может устранить избыток оксида азота и предотвратить его отрицательное влияние на отложение матрикса, образование новых сосудов и апоптоз. В имплантатах из целлюлозы без покрытия iNOS обнаруживается на 10-й день, что подтверждает наблюдение за более медленной последовательностью событий в формировании грануляционной ткани в этих имплантатах без покрытия

3. Выводы и перспективы на будущее

Регенеративная медицина включает формирование и заживление тканей с целью восстановить функциональность поврежденных органов или тканей.Поскольку восстановление и регенерация ткани после повреждения включает избирательное привлечение циркулирующих или резидентных популяций стволовых клеток, терапия стволовыми клетками часто используется как одно из средств, способствующих регенерации ткани. Однако его успех может быть осложнен сильным иммунным отторжением трансплантированных клеток или нехваткой аутологичных клеток. Кроме того, если для введения стволовых клеток используется каркас с биоактивными агентами или без них, плохая интеграция между каркасом / имплантатом и тканью хозяина может повлиять на результат.

Интересной концепцией тканевой инженерии является управление клетками, нацеленное на общую тканевую инженерию in vivo и без необходимости добавления биоактивных агентов или клеток. Многочисленные исследования показали, что целлюлоза сама по себе действует как хемоаттракант и способна стимулировать образование грануляционной ткани. Целлюлозная губка без покрытия была испытана при лечении хронических язв на ногах (Pajarre, неопубликованные данные) и тяжелых ожоговых травм (Lagus, неопубликованные данные) в 1990-х годах с хорошими результатами.Целлюлозная губка адсорбирует инородные тела и бактерии из раны и привлекает воспалительные клетки. В этих случаях действительно необходим краткосрочный мощный воспалительный ответ. После очистки раневого ложа целлюлоза вызывает формирование жизненно важной грануляционной ткани, сглаживает и подготавливает раневое ложе для успешной трансплантации кожи.

Захватывающее свойство целлюлозной губки, покрытой ГК, заключается в ее способности еще больше усиливать механизмы заживления организма. Целлюлоза, покрытая ГК, действует как направляющий материал для клеток, привлекая резервы стволовых клеток.Новое открытие экспрессии гемоглобина во время заживления ран привело к появлению новых данных о кроветворении и развитии неоваскуляризации. Клиническая значимость этого заключается в получении более васкуляризированной грануляционной ткани на критических ранних этапах заживления ран.

Мы выдвигаем гипотезу о том, что целлюлоза, покрытая ГК, управляет клетками благодаря комбинации кремнезема и фосфата кальция. Предварительные результаты (Stark et al, неопубликованные) нашего продолжающегося исследования показывают, что минеральный слой, вызванный погружением целлюлозной губки в раствор фосфата кальция, не имеет таких же полезных свойств для образования грануляционной ткани (не показано), чем минеральный слой, вызванный биоактивным стеклом в имитируемой биологической жидкости.Хотя воспалительная реакция была несколько более сильной по сравнению с целлюлозой без покрытия, она не была такой интенсивной, как в целлюлозе с покрытием HA. Наш вывод состоит в том, что диоксид кремния усиливает воспалительную реакцию с повышенным уровнем продукции биологически активного агента, который привлекает больше циркулирующих клеток-предшественников, полученных из костного мозга, тогда как слой фосфата кальция способствует ускоренному возвращению стволовых клеток к целлюлозной губке.

Из-за клеточно-направляющих свойств регенерированной окисленной целлюлозы, богатой диоксидом кремния, покрытой ГК, в сочетании со способностью способствовать пролиферации соединительной ткани с высоким содержанием сосудов, этот материал может иметь потенциал в клинических ситуациях, когда требуется быстрый рост грануляционной ткани, как при лечении. плохо заживающих ран.Контакт с ГК-целлюлозной губкой будет локальным и временным, что сведет к минимуму любые возможные недостатки. Помимо вопросов безопасности, производственный процесс покрытия целлюлозы ГК относительно прост и дешев, а целлюлозная губка, покрытая ГК, проста в обращении, формировании и стерилизации.

Благодарности

Йоханна Холмбом, Кристофер Старк и Вилле Пелтонен выражают благодарность за техническую помощь. Мы благодарим Бруно Лённберга, Курта Лённквиста и Cellomeda Ltd.для различных видов целлюлозы и Шведскому культурному фонду за поддержку нашего продолжающегося исследования целлюлозы.

.

Смотрите также