Кожа является жизненно важным органом, предотвращающим проникновение чужеродных агентов в организм и участвующим в поддержании обмена веществ. Заживление глубоких и обширных повреждений кожи, возникающих при серьезных ранениях (ожогах, обморожениях и др.), при отсутствии хирургического лечения в большинстве случаев происходит с нарушениями, что приводит к развитию фиброза, появлению рубцов и переходу раны в хроническую фазу, а также увеличивает риски ампутации, развития сепсиса и смерти пациента [1].

Кости представляют собой не менее сложный орган, обеспечивающий защиту, форму и механическую поддержку организма в целом и т. д. [2]. Костная ткань относится к высокодинамическим структурам и подвергается постоянному процессу ремоделирования, чтобы приспосабливаться к меняющимся механическим нагрузкам и восстанавливать развивающиеся усталостные переломы. Несмотря на высокий регенеративный потенциал, потеря костной массы и последующее ее восстановление являются важными проблемами в ортопедии и смежных областях, так как имеют большое клиническое и экономическое значение, обусловленное длительным восстановлением здоровья пациента, а также высокими рисками потери дееспособности [3]. Кость представляет собой уникальную ткань, которая постоянно и полностью регенерирует, ярким примером тому служит заживление переломов. Однако существуют случаи, когда регенеративная потребность поврежденной ткани выходит за пределы нормального потенциала самовосстановления. Как правило, такое происходит при дефектах костей критического размера, возникших в результате ортопедических или челюстно-лицевых операций, после травм, инфекций и резекций опухолей. Во всех этих случаях необходимо клиническое вмешательство и эндогенная стимуляция регенерации костной ткани [4].

Ежегодно в Российской Федерации регистрируется более 10 млн случаев различного рода травм: от повреждения кожных покровов и переломов костей до получения травм внутренних органов. Еще около 4 млн человек имеют заболевания кожи и подкожной клетчатки, около 5 млн — заболевания костно-мышечной системы и соединительной ткани [5]. Значительная доля случаев бытового, дорожно-транспортного и производственного травматизма связана с получением повреждений кожи, мышц и костей. В условиях военного времени данные цифры возрастают многократно, так как к ним добавляются огнестрельные и осколочные ранения, минно-взрывные травмы.

В настоящее время проводится активное освоение Арктического региона, который имеет глобальное геополитическое значение: транспортные коридоры, добыча углеводородов и др. [6]. Активное освоение Крайнего Севера увеличивает риски травматизма и инвалидизации человека, так как арктические условия оказывают значительное влияние на все системы организма. Тяжелые условия труда, высокий риск травматизма и удаленность от стационарных медицинских учреждений делают актуальной разработку новых методов и материалов, стимулирующих репаративную регенерацию твердых и мягких тканей, в том числе сочетанного генеза [7].

При подготовке данного обзора использованы ресурсы поисковых систем Google Scholar и PubMed. Поиск литературы для контент-анализа проведен по вышеуказанным ключевым словам.

Цель обзора — сравнить перспективные подходы лечения с использованием мезенхимных стволовых клеток повреждений кожи и костной ткани, полученных в экстремальных для организма условиях.

Особенности течения воспалительно-регенеративных процессов в экстремальных климатических условиях Арктики

Климато-географические факторы Арктического региона оказывают значительное влияние на человека, что приводит к сложной перестройке гомеостатических систем и вовлечению всех физиологических резервов организма [8]. Данное состояние специфического напряжения («синдром полярного напряжения») возникает у вновь прибывших людей и характеризует особенности адаптации организма к экстремальным условиям [9].

Одним из ключевых влияний климатических факторов Крайнего Севера и Арктики на организм является воздействие низких температур, которое активирует механизмы, способствующие производству тепла и предотвращению его потерь [10]. Внутренняя температура тела в норме составляет 35,6–37,8 °С. В случае если температура тела опускается ниже 35 °С, то возникает состояние гипотермии. Длительная или глубокая гипотермия может привести к необратимым повреждениям, вплоть до потери двигательной функции и смерти [11–12]. 

Кроме гипотермии экстремальные природноклиматические условия Крайнего Севера и Арктики вызывают чрезмерное напряжение дыхательной системы человека и повышают риск возникновения легочных патологий [13]. Холодный воздух вызывает активацию ряда защитных физиологических механизмов. В частности, снижается частота дыхания, рефлекторно снижается глубина вдоха, при этом функциональная остаточная емкость легких увеличивается. В верхних дыхательных путях происходит активная потеря влаги и тепла, необходимых для увлажнения и согревания вдыхаемого воздуха [14]. Изменения в респираторных органах и тканях негативно сказывается на всем организме, в первую очередь на эффективности транспорта и утилизации кислорода, что приводит к возникновению окислительного стресса и повышенному образованию свободнорадикальных продуктов, в том числе активных форм кислорода (АФК) [15–17]. Избыточное накопление АФК приводит к дисфункции митохондрий, еще сильнее усугубляя воздействие окислительного стресса, опосредуя и ускоряя апоптоз клеток [18–19].

Прибывание в Арктическом регионе способствует развитию гиповитаминоза. Тяжелые нарушения функций различных органов и обмена веществ в целом могут возникать из-за недостатка жирорастворимых витаминов [16]. Дефицит витамина D3 приводит к нарушению минерального обмена костной ткани. В совокупности с недостатком эссенциальных микроэлементов, это ускоряет обмен костной ткани и способствует развитию остеопоротических переломов [20].

Функционирование гормональных систем организма также изменяется в связи с действием холода и возникновением светового стресса. Почти все клеточные функции и физиологические системы находятся под циркадианным контролем, который синхронизируется с внешними стимулами, в первую очередь, со светом определенного спектра и интенсивности. Сезонная асимметрия и недостаток ультрафиолета в условиях Арктики являются причиной светового стресса, что способствует развитию метаболических, иммунных и психических заболеваний, а также усугублению заживления ран, снижению детоксикации организма [21].

В Арктической зоне человек активно взаимодействует с различными механизмами и машинами. Используемые при этом химические средства могут оказывать раздражающее и аллергическое действие на кожу. Воздействие низких температур требует использования специальной, зачастую, тяжелой экипировки, в которой выполняется физическая работа. Эти факторы также провоцируют и усугубляют течение заболеваний костномышечной и соединительной тканей.

Таким образом, климато-географические особенности Арктического региона формируют ряд заболеваний, которые имеют большее распространение, чем в средней полосе [6]. Травмированные ткани являются гипоксичными из-за повреждения местных сосудов вне зависимости от внешних условий. Следовательно, развитие тканевой гипоксии и ишемически-реперфузионного синдрома вследствие общего переохлаждения, в целом, усложняет заживление различных травм кожи, мягких и твердых тканей и увеличивает, в частности, риски возникновения обморожений. Избыточное накопление АФК тоже будет препятствовать нормальному заживлению травм, так как станет причиной избыточного воспаления. Отсутствие кислорода и питательных веществ, дефицит которых будет усилен воздействием гипоксии и гипотермии на организм, значительно препятствует процессам регенерации тканей — синтезу коллагена и ангиогенезу [22].

Пребывание на Крайнем Севере, как правило, носит вахтовый характер. Это приводит к тому, что организм не успевает выработать устойчивые адаптационные механизмы защиты [19], так как для полной адаптации человека требуется более 3 лет непрерывного пребывания в данном климато-географическом регионе [9]. Кроме того, следует отметить, что длительное пребывание людей на Крайнем севере зачастую сопровождается гиповитаминозом, что не только снижает регенеративный потенциал, но и увеличивает риски возникновения инфекций.

Риски возникновения и развития воспалительных и инфекционных заболеваний кожи и подкожной клетчатки увеличиваются и в результате длительного пребывания людей в отрыве от жилых помещений, без достаточных условий для проведения гигиенических мероприятий, а также необходимости длительной носки специального снаряжения [23].

Одним из ключевых факторов, препятствующих активному восстановлению тканей после получения травмы в экстремальных для организма условиях, являются изменения в кровеносной системе организма, увеличение длительности ангиогенеза вследствие недостатка кислорода [11]. В связи с этим при разработке терапии, стоит рассмотреть возможности и способы реваскуляризации поврежденных тканей. Восстановление кожных покровов и костной ткани сильно зависит от способности организма к процессу образования новых кровеносных сосудов. Ангиогенез обеспечивает клетки необходимыми питательными веществами и, соответственно, способствует поддержанию их жизнеспособности [4]. Значительную роль кровоснабжение оказывает на регенерацию кости, так как она является сильно васкуляризованной тканью. Наличие кровеносных сосудов также осуществляет паракринную регуляцию остеогенеза [24]. Таким образом, технологии и методы, обеспечивающие улучшение ангиогенеза, способствуют значительному ускорению процессов регенерации тканей [4].

Другая проблема — нарушения в ходе первой (воспалительной) фазы заживления. В частности, гипотермия задерживает высвобождение провоспалительных цитокинов, снижает количество и функцию нейтрофилов, а также нарушает хемотаксис лейкоцитов и фагоцитов [25]. Иммунносупрессия является одним из отрицательных последствий переохлаждения, в совокупности с замедленным заживлением, повышенным риском сепсиса, нарушениями плазматической коагуляции и функции тромбоцитов. Последние два фактора, в частности, приводят к отсрочке раннего хирургического удаления некротических тканей, что негативно сказывается на восстановлении и выживаемости пациентов в целом [26].

На эти два ключевых процесса необходимо ориентироваться при разработке новых способов лечения. Но экстремальные климатические условия, низкая плотность населения, удаленность и труднодоступность районов тоже сказываются на организации системы оказания медицинской помощи, в том числе при спасении людей, пострадавших в чрезвычайных ситуациях [27]. Поэтому при разработке новых методов лечения требуется учитывать значительную задержку оказания высококвалифицированной медицинской помощи.

Новые терапевтические подходы восстановления повреждений твердых и мягких тканей с использованием ММСК

Мультипотентные мезенхимные стволовые клетки (ММСК) организма участвуют во всех стадиях регенерации кожи и костей, поэтому применение их для лечения ран является перспективным подходом. Основным механизмом терапевтического влияния ММСК является секреторная активность, но, кроме этого, они способны дифференцироваться в клетки поврежденной ткани [28]. Клетки регулируют продолжительность фазы воспаления, принимают участие в паракринной регуляции образования и реорганизации рубца на поздних стадиях. Особую актуальность терапия на основе ММСК приобретает для лечения хронических и длительно не заживающих ран, не поддающихся традиционным видам терапии [29]. Для регенерации костной ткани так же широко используют клеточные популяции ММСК, выращенные на различных вариантах биокаркасов [30]. Доказано, что ММСК способны улучшать исход термических повреждений, благодаря иммуномодулирующим, антиоксидантным и ангиогенным эффектам [31–32]. Результаты первых исследований по использованию инъекций ММСК для лечения травм, полученных в имитирующих гипоксию и гипотермию условиях, демонстрируют значительное расширение показаний для применения клеточной терапии [33]. В частности, продемонстрирована их эффективность для лечения холодовых травм. При этом выделены два основных терапевтических эффекта инъекции ММСК: снижение воспаления и улучшения ангиогенеза по периферии раны [34].

Развивается еще одно направление клеточной терапии — использование экзосом ММСК. Данные внеклеточные везикулы содержат нуклеиновые кислоты, белки и липиды. Содержащиеся в экзосомах белки, включая ферменты, и микроРНК также участвуют во многих биохимических и клеточных процессах, в том числе воспалении и регенерации тканей. Это обусловливает их универсальность и способность взаимодействовать с несколькими типами клеток, вызывая соответствующие клеточные реакции. В частности, каталитически активные ферменты, способствующие гомеостазу тканей, потенциально способны восстанавливать нормальную функцию тканей. Это особенно важно, когда травма или заболевание изменяет микроокружение и, как следствие, приводит к нарушениям гомеостаза и функционирования ткани. При этом снижается риск передозировки и недостаточности дозы по сравнению с большинством лекарств, так как активность фермента регулируется непосредственно концентрацией субстрата. Таким образом, терапевтический эффект будет пропорционален тяжести травмы [35, 36].

Секретом ММСК содержит широкий спектр биологически активных молекул, синтез которых в настоящее время возможен с помощью рекомбинантных технологий. Например, значительное влияние на восстановление поврежденных тканей оказывают факторы роста. Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF, от англ. vascular endothelial growth facto) участвует в процессах ангиогенеза и неоваскуляризации, способствуя в том числе миграции эндотелиальных клеток [37, 38]. Производство внеклеточного матрикса во многих типах клеток, связанных с заживлением ран, стимулируется фактором роста фибробластов (FGF, от англ. fibroblast growth factor) [37, 39]. В заживлении ран участвует и тромбоцитарный фактор роста (PDGF, от англ. plateletderived growth factor), стимулирующий пролиферацию фибробластов, клеток гладкой мускулатуры, остеобластов и других клеток [39]. Факторы роста можно применять как непосредственно лекарственный препарат, так и в составе клеточных продуктов, в частности для тканевой инженерии и/или с целью клеточного репрограммирования. При этом их эффективность при лечении различных травм уже доказана, а соответствующие технологии получения белков в дрожжевых системах экспрессии разработаны [40]. 

В связи с особенностями воздействия климатогеографических условий Арктического региона на организм человека актуальность создания лекарственных препаратов и биомедицинских клеточных продуктов, оказывающих комплексное воздействие на очаг повреждения, возрастает. Это связано с тем, что патологическое состояние раны значительно ухудшается ввиду развития тканевой гипоксии. Другим фактором является то, что ни один из представленных подходов не является «панацеей», так как имеет свои особенности (табл. 1). Кроме того, применение аллогенных клеток, экзосом или рекомбинантных факторов роста имеет ряд существенных ограничений, как терапевтического, так и технологического характера.

В связи с этим большую роль играют подбор и разработка биологического матрикса, который будет выступать в качестве матрицы применяемых клеток, экзосом или белков. На сегодняшний день «золотыми стандартами» лечения как травм кожи, так и восстановления костной ткани остается использование аутотрансплантатов или бесклеточных аллотрансплантатов. Это связано с полным соответствием физико-химических и биохимических параметров каркасов, обеспечивающих требуемую пористость для ангиогенеза, а также пролиферативные и остеоиндуктивные свойства. Нехватка донорских участков и высокие риски образования рубцов способствуют разработке полноразмерных эквивалентов кожи и остеоиндуктивных материалов [41–43]. Лекарственная терапия, хирургическая реконструкция и медицинские устройства, доступные на сегодняшний день, не способны заменить все функции поврежденной ткани или потерянного органа [44]. Это связано с тем, что значительную роль в организме играет внеклеточный матрикс, обеспечивающий физическую основу для поддержания целостности тканей и органов, а также служит индуктором биохимических и биофизических сигналов. Он создает микроокружение, которое включает весьма сложные клеточные взаимодействия и молекулярногенетические процессы [45]. Данные проблемы способна решить тканевая инженерия.

В качестве основы матрикса могут быть использованы как наиболее предпочтительные природные, так и хорошо регулируемые по физико-химическим свойствам синтетические полимеры. Требуемые характеристики к каркасам представлены в табл. 2.

Среди природных полимеров для восстановления твердых и мягких тканей наиболее предпочтительным остается коллаген как основной компонент внеклеточного матрикса большинства тканей организма. Для разработки раневых покрытий также широко используют его производное — желатин. Другим природным полимером, распространенным в наших тканях, для разработки каркаса для восстановления костных и мягких тканей является гиалуроновая кислота. Родственность к внеклеточному матриксу человека является их главным преимуществом, но высокая цена, риски переноса заболеваний, недостаточность сырьевого материала и другие факторы обязывают рассматривать иные полимеры [44]. Для восстановления кожных покровов также активно разрабатываются каркасы на основе фибрина, шелка, хитозана, агарозы, целлюлозы, крахмала, альгината и синтетических полимеров. Тканевая инженерия костной ткани значительно ограничена по сравнению с инженерией кожи в связи с таким важным свойством материала, как остеоиндуктивность. Тем не менее, в качестве материала костного каркаса могут быть использованы не только коллаген, фиброин и гиалуроновая кислота, но и хитозан, который способен поддерживать прикрепление и пролиферацию костеобразующих клеток остеобластов и обеспечивать образование минерализованного костного матрикса [46].

Для восстановления поврежденных тканей после пребывания в условиях Арктического региона требуется разработка наиболее эффективной терапии, в связи с тем что нарушена трофика тканей и собственных резервов организма недостаточно. Поэтому перспективно использование для этих целей матриксов, содержащих ММСК, экзосомы или рекомбинантные факторы роста, в первую очередь, для снижения воспаления и усиления процессов ангиогенеза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на сложное многофакторное воздействие природно-климатических условий Крайнего Севера, возможна разработка терапевтических продуктов и способов широкого применения, в частности, на основе мультипотентных мезенхимных стволовых клеток. Данные разработки могут найти применение для лечения травм кожи и тканей, как в других климатических регионах, так и в иных экстремальных условиях, например, при получении травм в условиях космического полета, высокогорья, подводного плавания.