Н. А. Платэ проблема использования полимеров в медицине охватывает довольно широкий круг вопросов, решение
 Скачать 74.01 Kb.
|
|
ПОЛИМЕРЫ В МЕДИЦИНЕ Академик В. А. КАРГИН, доктор химических наук Н. А. ПЛАТЭ Проблема использования полимеров в медицине охватывает довольно широкий круг вопросов, решение которых тесно связано с получением специфических макромолекулярных систем, способных нести определенные функции при контакте с живым организмом. Фактически в этой проблеме существует два аспекта: создание искусственных внутренних органов из полимерных материалов и использование полимеров как физиологически активных веществ. Проблема создания и применения искусственных внутренних органов давно привлекает внимание исследователей, но особенную актуальность она приобрела в последние годы. Со времени первых операций на сердце, когда для лечения митральных пороков был применен искусственный клапан из силиконовой резины, прошло уже много лет. С тех пор полимерные материалы стали все больше и больше использоваться для замены тех или иных вышедших из строя в результате болезни или несчастных случаев внутренних органов. Речь идет о замене отдельных участков кровеносных •сосудов, сухожилий, костей, сердца, легких, кожи, а также о применении синтетических материалов как вспомогательных средств. В этой области с самого начала возникло очень много довольно специфических проблем. Не надо забывать, что любая вставка из полимерного материала, помещенная в живой организм, не является инертной, как, например, пластинка из благородного металла. Полимер, вступающий в контакт с физиологической средой (кровь, лимфа, ткани человеческого организма), претерпевает много превращений, которые необходимо учитывать. Применяемые при различных оперативных вмешательствах полимеры должны удовлетворять требованиям, которые гораздо выше, чем в любой другой области. На первый взгляд может показаться, что для замены участков кровеносных сосудов, например, нужен просто инертный материал, который не вызывал бы тромбоза и гемолиза красных кровяных шариков. В действительности же здесь необходимо осуществить чрезвычайно тонкое взаимодействие между стенками поверхности такого искусственного сосуда и кровью. Нужно, в частности, подобрать такой материал, который позволил бы воссоздать электростатический потенциал, возникающий между поверхностью сосуда и потоком крови, а это непростая задача. Одно время считали, что причиной неудачных попыток применения полимерных материалов для замены кровеносных сосудов была плохая смачиваемость кровью их поверхности. Однако теперь становится очевидным, что решающим фактором является не смачиваемость, а скорее скольжение крови по поверхности сосуда. Следовательно, приходится прибегать к гидрофобным материалам, которые в ряде случаев оказываются более эффективными, чем гидрофильные, способные к хорошему смачиванию. Возникают проблемы, связанные с длительным пребыванием искусственного органа в биологической среде. В полимерах, как известно, повышение температуры, воздействие света, радиации, кислорода вызывают химические и физические процессы, приводящие к их старению. Эти процессы интенсивно изучаются во многих лабораториях мира. Что же касает- ПОЛИМЕРЫ В МЕДИЦИНЕ <ся биологического старения, специфика которого совсем иная, то здесь еще очень много неясного и требующего изучения. Взять хотя бы такой вопрос, как поиск материалов для искусственных зубов. Если сопоставить механические показатели используемого для этих целей полиметилметакрилата и поликарбоната, то нетрудно убедиться, что последний имеет значительные преимущества как по прочности, так и по механическим свойствам. Однако зубы из поликарбонатов не годятся: пребывание в специфических условиях среды живого организма (воздействие ферментов, влаги и целого комплекса других факторов) очень быстро приводит к их разрушению. Не менее важна проблема прорастания естественных тканей в протез и их срастания с ним. Через несколько недель пребывания искусственного кровеносного сосуда внутри организма на нем откладывается фибрин. Если в организм при внутрибрюшинных операциях вводится поддерживающая сетка или полимерной сеткой заменяется часть легкого, то через нее прорастает живая ткань, а сама сетка перерождается и иногда полностью утрачивает свои механические свойства. Сетка из полиамида, например, разбухает и перестает выполнять свою функцию, хотя при этом молекулярный вес полиамида не меняется, сохраняется и его фибриллярная структура. Следовательно, этот материал пригоден только в том случае, когда искусственный орган должен выполнять временную функцию. Требует изучения целый комплекс проблем, связанных с перерождением собственно полиамидного материала, в частности выяснение того, как это перерождение сказывается на окружающей живой ткани. Таким образом, проблемы биологического старения весьма специфичны и требуют от исследователей и медиков очень осторожного и внимательного подхода к решению вопроса о долговременном использовании тех или иных искусственных органов. Каковы же сейчас главные задачи, стоящие перед учеными, которые разрабатывают проблему искусственных органов? Какие тенденции намечаются в развитии этой новой комплексной области науки, которая фактически только-только начинает становиться на ноги и в которой переплетаются интересы и специфика собственно химии полимеров, экспериментальной хирургии, химии поверхностных явлений, биохимии, молекулярной биологии и ряда других отраслей знания? Одна из довольно четко просматривающихся тенденций заключается в том, чтобы не заменять полностью природных органов (полная замена, например, сердца сугубо синтетическим механизмом, по-видимому, не имеет смысла и проблема искусственных внутренних органов не в этом), а создать вспомогательные средства, которые, будучи введены в организм или подключены к нему с помощью некоей циркуляционной системы, в опасный для жизни человека момент могли бы временно выполнить функцию больного органа, пока его либо подлечат, либо прооперируют, либо он просто отдохнет. Если при резко выраженной сердечной недостаточности дать сердцу передышку в течение 10—20 часов, то может восстановиться его нормальная работа. Известны операции, когда в случаях слабо и неритмично работающего сердца, близкого к полной остановке, через артерию в аорту вводили тонкий полиуретановый баллон. Этот баллон, имеющий вывод наружу в виде полиуретанового шланга, подключался к саморегулирующейся системе, обеспечивающей ритмичное его раздувание и сжатие, что улучшало снабжение кровью. Таким путем удалось спасти жизнь многих людей. Описаны сотни случаев продолжительной жизни людей, у которых очистка крови происходит через искусственную почку, представляющую собой систему полупроницаемых мембран и установленную вне организма. 76 В. А. КАРГИН, Н. А. ПЛАТЭ Такие устройства пока довольно громоздки и применяются в основном а условиях клиники. Но в ближайшем будущем несомненно удастся создать искусственную почку маленького размера, которую можно будет помещать внутрь организма. Она примет на себя часть функций пораженной почки, и человек сможет в течение длительного времени жить и работать, не будучи привязанным к больничной койке. Большое внимание исследователей привлекает проблема искусственной кожи. При сильных ожогах или химическом поражении, когда необходима немедленная подсадка кожи, обычно применяют синтетические материалы типа подшитого поливинилового спирта, полиуретанов. Сейчас для этой-цели синтезируются трехблочные полиуретановые системы, сочетающие в себе эластичность и механическую прочность, но построенные в виде нетканых материалов, структура которых напоминает переплетенные волокна натуральной кожи. Такая кожа должна обладать не только эластичностью, прочностью и не вызывать тромбозов. Необходимо, чтобы она также обладала бактерицидными свойствами, обеспечивала функцию дыхания и пропускала пот. Другими словами, она должна максимально имитировать, деятельность природной кожи. Наиболее подходящими для такого применения материалами являются сейчас полиуретаны. Первостепенное значение имеет также проблема мембран и пленок. Медицине сейчас нужны такие полимерные пленки, которые бы обладали необычайной селективностью к пропусканию или непропусканию самых разнообразных веществ. Нужны пленки, которые бы надежно изолировали, больной орган и поверхность тела, не выпускали из организма кровь, мочу, органические соли или при необходимости делали это избирательно, именно в тот момент, когда нужно и в определенном направлении. Наконец, требует скорейшего решения проблема искусственной крови. Как известно, она возникла при решении гемодинамических задач, т. е. когда при больших потерях крови было необходимо обеспечить достаточный уровень кровяного давления. Тогда были предложены заменители для плазмы крови, созданные на основе поливинилпирролидона, декстранов и других материалов. Они успешно применяются и до сих пор, но пока это все еще инертные вещества, которые действительно выполняют динамическую, функцию, но не являются переносчиками кислорода. Медицина же нуждается в активных заменителях крови временного действия. Теперь уже стало понятным, что нет смысла пытаться полностью заменить кровь человека на синтетическую, ибо при нормальном функционировании костного мозга восстановление крови происходит за немногие часы. Важно, чтобы искусственная кровь, переносящая кислород, поддержала организм в критический момент. Такая кровь, как и внутренние искусственные органы,, является вспомогательным средством. Решение этой проблемы сразу сняло бы все сложности с групповыми параметрами донорской крови. Все эти вопросы требуют безотлагательного решения. Тем с большим сожалением приходится отметить, что у нас проблеме создания внутренних органов не уделяется должного внимания. В нескольких медицинских лабораториях занимаются этими вопросами, но фундаментальных поисковых работ практически не ведется. Решить же эту проблему можно только, путем комплексных исследований, в которых должны участвовать синтетики, физико-химики, медики и инженеры. От медиков требуется грамотная постановка задачи перед химиками, а химики должны отчетливо представлять себе специфику поведения этих материалов в организме. Только при совместной работе бригад, состоящих из специалистов указанных направлений, при их теснейшем контакте эти проблемы могут быть решены. Второй аспект проблемы полимеров в медицине — использование их в качестве физиологически активных веществ. Физиологически активные ПОЛИМЕРЫ В МЕДИЦИНЕ 77 полимеры можно разделить на три категории: носители и модели пищеварительных и окислительных ферментов; физиологически активные вещества макромолекулярной природы, повышающие устойчивость организма к проникающей радиации; пролонгаторы действия лекарственных веществ. В настоящее время известны многие физиологически активные полимерные вещества, которые с успехом применяются на практике. Однако масштабы развития этой области далеко не достаточны. Рассмотрим хотя бы использование полимеров в качестве пролонгаторов, т. е. веществ, задерживающих лекарственное вещество в организме. Ведь до сих пор остается неясным, что происходит с полимером-носителем в организме после того, как он выполнил свою непосредственную задачу — разлагается ли он организмом и выводится в виде шлаков или откладывается в каких-то тканях, например в почках, печени, и вызывает побочные процессы. Все эти вопросы требуют ответа. Работы в данной области находятся по существу в зачаточном состоянии, но полученные, хотя и немногочисленные, результаты свидетельствуют о том, что здесь перед исследователями открываются неисчерпаемые возможности. Взять, например, поливинилпирролидон. Оказалось, что, будучи введен в организм, он не только несет гемодинамическую функцию как заменитель плазмы, но и обладает очень четким антитоксическим действием. Исследования последних двух-трех лет показали, что это вызывает в организме усиленное дополнительное выделение интерферона — антитела, которое успешно борется с попадающими в организм вирусами. Таким образом, этот полимер оказывается многофункциональным. В данном случае его действие положительно, но весьма вероятно, что для других полимеров-носителей ситуация может оказаться обратной — возникнут побочные вредные для организма эффекты. Физиологически активные полимеры приобретают особое значение в связи с тем, что они могут обеспечить транспортировку нужной лекарственной функции как комплексно-, так и химически связанной в нужное место и в нужное время, т. е. достигнуть результата, получить который при применении слишком легко усваиваемых лекарственных веществ обычно не удается. Примером является возможность применения полиметакриловой кислоты для защиты инсулина от воздействия ферментов при приеме его per os. До сих пор инсулин вводят в организм больных диабетом только путем инъекций. Это объясняется тем, что при приеме per os еще до попадания в тонкий кишечник, где должно происходить его всасывание и поступление в кровь, он разрушается ферментами. Если же инсулин за-комплексовать с полиметакриловой кислотой, то в таком комплексе он оказывается недоступным для разрушительного воздействия ферментов пищеварительного тракта и достигает нужного места в организме. Проблема такой защиты лекарственных веществ от преждевременного разрушения в организме тесно связана с проблемой выведения полимеров из организма. В частности, совершенно неясна дальнейшая судьба в организме той же полиметакриловой кислоты — где она скапливается и откладывается и какое это оказывает действие? Пока известно, например, что нельзя вводить в организм полимеры, молекулярный вес которых превышает определенные пороговые значения, так как подобные полимеры откладываются в печени и могут вызвать развитие ее цирроза. Вместе с тем установлено, что чем больше молекулярный вес полимера, тем сильнее выражена специфичность его воздействия. Следовательно, надо искать какие-то компромиссы. Можно идти и по другому пути — применять такие полимеры-носители, которые могут разлагаться до безвредных веществ (например, полиуглеводы) и усваиваться. Однако разлагаться такие полимеры должны определенными ферментами и в нужном месте. Например, чтобы полимер в желудке не разлагался, а начинал разлагаться лишь в кишеч- 78 В. А. КАРГИН, Н. А. ПЛАТЭ нике, нужно добиться чувствительности полимера к изменению среды-Другими словами, на такой полимер кислая среда желудка не должна действовать, а щелочная среда кишечника должна благоприятствовать его распаду. Такую специфичность можно создать определенной комбинацией: гидрофильных и гидрофобных частей в молекуле. Не менее значимой для физиологически активных полимеров является и такая проблема, как возможность снижения единовременной дозы сильно действующего лекарственного вещества. Это обычно бывает нужно тогда, когда разница между лечебной и вредной (или даже летальной) дозой очень невелика. В таких случаях иногда приходится отказываться от многих сильно действующих веществ. Задача заключается в том, чтобы сохранить интегральную дозу, но уменьшить абсолютную единовременную. А это можно сделать, если ослабить действие лекарственного вещества путем замедления скорости его всасывания. Здесь на помощь опять-таки приходят соответствующие полимерные носители. Для многих лекарств, имеющих пороговый эффект, проблема привязывания их к макромолекуле и использование именно в таком виде приобретает первостепенное значение. Сейчас уже есть ряд примеров успешного применения полимерных реагентов, которые оказывают благоприятное воздействие при лечении некоторых заболеваний. Например, для лечения силикоза весьма эффективными оказались N-окиси поливинилпиридина или другие поли-М-окиси. Одной из проблем, которые придется решать в недалеком будущем, является создание физиологически активных полимерных веществ путем моделирования природных нуклеиновых кислот. Это позволит осуществить, процесс редупликации и синтеза белка на синтетических моделях нуклеиновых кислот. Такие исследования уже ведутся как в США, так и у нас. Они сулят революцию в макромолекулярной химии и в создании процессов управляемого и регулируемого синтеза биологически активных полимеров. Какие же наиболее насущные задачи возникают сейчас в области использования полимеров в медицине? Прежде всего нужны специально созданные для медицины полимеры, которые врачи должны получать в специальных химических учреждениях. Так делается уже в ряде стран, например в ГДР, США и др. Крупные госпитали, где оперируют и применяют искусственные органы и вспомогательные устройства из полимерных материалов, пользуются материалами, которые специально изготавливаются коллективами химиков. У нас же врачи применяют подчас полимерные материалы, которые выпускаются для изделий массового назначения и не соответствуют медицинским требованиям, так как содержат стабилизаторы, пластификаторы, всевозможные добавки, которые не могут быть введены в контакт с живым организмом. Это иногда является причиной отрицательных результатов, приводит к дискредитации идеи и к напрасной трате сил. Далее необходимо организовать широкий поиск самых разнообразных классов физиологически активных веществ и обеспечить последовательное и комплексное исследование не только самого физиологически активного-полимера, но и проследить все, что с ним происходит с момента введения в организм и до того, как он распался или перестал нести свои физиологические функции. Область применения полимеров в медицине в настоящее время — одна из наиболее важных в развитии полимерной химии. Интерес к ней усугубляется тем обстоятельством, что исследования в этом направлении должны принести человечеству колоссальную практическую пользу. УДК 617.089.28 |