Cercetătorii au dezvoltat un hidrogel inspirat de melci pentru a trata fistulele gastrointestinale
Fistulele gastrointestinale reprezintă pasaje anormale între tractul digestiv și alte organe sau țesuturi.
Acestea sunt o complicație frecventă a intervențiilor chirurgicale, traumei, bolilor inflamatorii și tumorilor maligne, putând deveni periculoase pentru viață în cazuri severe.
Tratamentele endoscopice curente pentru fistule au limitări: stenturile se deplasează, fistulele închise cu clipsuri de titan recidivează, iar suturile endoscopice sunt tehnic provocatoare. Adițiile de țesut postoperator complică și mai mult tratamentele clinice, ceea ce subliniază necesitatea unor strategii de reparare mai sigure și mai eficiente.
În acest context, cercetătorii au creat un sigilant hidrogel termoresponsiv, inspirat de melci, care s-a dovedit eficient în închiderea fistulelor gastrointestinale în modele animale. Sigilantul, care este injectat printr-un endoscop standard, se solidifică rapid imediat ce intră în corp, oferind astfel o metodă minim invazivă de tratament.
Studiul a fost condus de prof. BAI Shuo de la Institutul de Inginerie a Proceselor al Academiei Chineze de Științe, în colaborare cu echipa dr. LI Jingtao de la Spitalul de Prietenie China-Japonia. Rezultatele studiului au fost publicate în revista Nature Biomedical Engineering pe 30 octombrie.
Melcii care trăiesc în junglele umede pot secreta un mucus defensiv care atașează ferm broaștele de ramuri. Acest mucus este bogat în proteine încărcate pozitiv, care se atașează de țesutul umed prin interacțiuni electrostatice și încâlciri fizice. Proteinele se transformă dintr-o soluție într-un gel sub influența ionilor metalici și a factorilor de mediu.
Inspirându-se din această substanță, cercetătorii au combinat poli(N-isopropilacrilamidă) (PNIPAM) cu ionii de Ga³⁺ pentru a pregăti un sigilant PGaIII. La 25 °C, sigilantul este un „mucus” transparent și fluent, care trece cu ușurință printr-un ac de 27 de gauge și un canal endoscopic standard. Totuși, odată livrat în corp, unde temperatura este de aproximativ 37 °C, sigilantul se transformă în gel în aproximativ 30 de secunde.
Suprafața orientată spre țesut se atașează ferm de țesutul încărcat negativ prin interacțiuni electrostatice și încâlciri topologice, în timp ce suprafața orientată spre lumen rămâne nonadezivă. Injectarea, adeziunea și contracția sigilantului se realizează într-un singur pas, realizând o aderență asimetrică pe două fețe (tip Janus) care este „lipicioasă pe o parte și nonlipicioasă pe cealaltă”. Cercetătorii au denumit acest mecanism „aderință Janus asistată electrostatic inspirată de melci (SET)”.
Acest design rezolvă o limitare anterioară a hidrogelurilor injectabile, prin faptul că nu necesită ca gelul să mențină aderența asimetrică înainte sau în timpul procesului de injectare.
Experimentele in vitro au arătat că partea adezivă a PGaIII are o rezistență la forfecare de aproximativ 10.46 kPa, în comparație cu doar 0.11 kPa pe partea nonadezivă, o diferență de aproape 100 de ori. Într-un model ex vivo de stomac porcin, hidrogelul a sigilat o perforație de 10 mm fără scurgeri.
La temperatura corpului, PGaIII suferă o tranziție hidrofobă și expulzează activ apa. Drept urmare, puterea sa de aderență și presiunea de explozie cresc, spre deosebire de adezivul fibrinic comercial, care scade semnificativ. În același timp, cercetătorii au observat că suprafața hidrogelului s-a micșorat cu aproximativ 51.6%, generând o forță de tracțiune centripetă care evită problema lărgirii deschiderii fistulei din cauza umflării.
În plus, ionii de Ga³⁺ interferează cu metabolismul de fier al bacteriilor, având o eficiență de inhibare de aproximativ 98.6% împotriva Escherichia coli și Staphylococcus aureus. Evaluările de citotoxicitate, hemoliză și siguranță pe termen lung in vivo au fost favorabile.
Într-un model de fistulă gastrică la șoareci, mortalitatea postoperatorie a grupului PGaIII a fost de doar 3.3%, mai mică decât cea a grupului cu sutură (6.7%) și a grupului cu adeziv fibrinic (56.7%), cu aproape nicio aderență postoperatorie și o recuperare aproape completă a structurii peretelui gastric în ziua 21, în timp ce celelalte grupuri au dezvoltat aderențe severe.
Într-un model cu porci Bama, cercetătorii au aplicat endoscopic PGaIII pe o fistulă gastrică de 20 mm. După 14 zile, fistula s-a închis complet, mucoasa fiind netedă, iar calitatea reparării superioare celei a grupului cu clipsuri de titan. De asemenea, nu s-au observat resturi de corp străin.
Acest studiu oferă un biosealant gata de utilizare, cu un flux de lucru simplu pentru tratamentul minim invaziv al fistulelor gastrointestinale. De asemenea, oferă idei pentru repararea fistulelor în alte organe și pentru proiectarea materialelor de sigilare medicale de generație următoare pentru chirurgia minim invazivă.
„Vom studia în continuare metabolismul și eliminarea ionilor de Ga³⁺ la animale mari și influența fluctuațiilor pH-ului gastrointestinal asupra ratei de degradare”, a declarat BAI, adăugând că cercetătorii plănuiesc să optimizeze sistemul de livrare prin cateter și procesul de fabricație pentru a promova traducerea clinică.
Având în vedere că constatările se bazează pe studii preclinice în modele animale, sunt necesare cercetări suplimentare pentru a stabili siguranța și eficacitatea materialului în pacienții umani.
