W badaniach biorą udział naukowcy z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego, Politechniki Wrocławskiej, Politechniki Krakowskiej i Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych Sieci Łukasiewicza.
Celem projektu jest opracowanie nowych polimerowo-ceramicznych biomateriałów kompozytowych przeznaczonych do zastosowania w medycynie regeneracyjnej układu kostnego.
Kompozyty aktywne biologiczne to implanty, które mają zastąpić naturalną tkankę kostną, ale przede wszystkim przyspieszyć jej regenerację i sprawić by kość odbudowywała się prawidłowo, bez stanów zapalnych. Można więc powiedzieć, że wszczepiany implant „dekorujemy” substancjami, które wcześniej zostały przez nas przebadane i mamy pewność co do ich skuteczności.
– wyjaśnia dr n. biol. Karolina Rudnicka z Katedry Immunologii i Biologii Infekcyjnej Wydziały Biologii i Ochrony Środowiska UŁ.
Działanie tych substancji może być: przeciwzapalne, przeciwdrobnoustrojowe i pro regeneracyjne. Dzięki temu implant będzie lepiej współpracował z organizmem.
Supermoce
Opracowywany w ramach projektu implant ma zawierać komponenty, które wcześniej zbadaliśmy i uznaliśmy za najbardziej korzystne dla procesu odnowy podczas regeneracji uszkodzonej tkanki kostnej.
– tłumaczy dr Rudnicka.
Podobne rozwiązania są już stosowane na świecie, ale nie używa się do nich tych substancji, nad którymi pracują polscy naukowcy. Wśród wspomnianych substancji znajdują się między innymi innowacyjne bazy polimerowo-ceramiczne pokrywane czynnikami wzrostowymi wspomagającymi ukrwienie implantu VEGFA i wykazującymi działanie przeciwzapalne TGF-beta.
Działają one podobnie jak SMS, który wysyłają komórki odpornościowe, żeby dać znać innym komórkom, co należy produkować w organizmie. Możemy wykorzystać te wiadomości, modelując odpowiedź. Dajemy znać komórkom, że nie chcemy w organizmie stanu zapalnego i one odpowiednio reagują. Tę samą odpowiedź dostalibyśmy w procesie fizjologicznym, ale znacznie później.
– mówi dr Rudnicka.
Wielofunkcyjność
Kompozyty mają kilka funkcji. Pierwsza z nich to stymulacja komórek kostnych do namnażania się i tworzenia tkanki kostnej (właściwości osteoindukcyjne). Druga, to działanie pro regeneracyjne, wspierające proces naprawczy komórek. Trzecia – przeciwdrobnoustrojowa (z użyciem antybiotyku). I kolejna, to działanie przeciwzapalne – czyli przeciwdziałanie reakcji zapalnej, która działałaby na niekorzyść procesu gojenia.
Tutaj pojawiają się czynniki przeciwzapalne TGF-beta, problem z nimi jest taki, że są bardzo kosztowne. Znaleźliśmy jednak rozwiązanie, jesteśmy w stanie zmusić bakterie do wytwarzania tego czynnika. Wprowadzamy do bakterii odpowiedni gen niosący informację dla produkcji TGF-beta i wymuszamy, by zaczęły produkować potrzebny nam czynnik. Czynniki te są przez nas oczyszczane a my weryfikujemy ich strukturę oraz aktywność. W ten sposób uzyskujemy czynnik, który jest wielokrotnie tańszy niż preparat komercyjny.
– mówi dr Rudnicka.
Kolejną ważną funkcją implantu jest biozgodność. Implant nie może być toksyczny ani powodować alergii i drażnić komórek.
To oczywiście też badamy zarówno w modelach komórkowych jak i in vivo, w ten sposób mamy pewność, że implanty będą nie tylko aktywne ale i bezpieczne.
– zapewnia dr Rudnicka.
Rewolucja przy okazji
Całkowity budżet projektu to 12 mln zł z czego 4,5 mln przypada na utworzenie zespołu i badania biologiczne realizowane przez zespół UŁ. W ubiegłym roku naukowcom udało się pozyskać od Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, kolejny milion na rozszerzenie badań nad zastosowaniem piomelaniny bakteryjnej do procesu kostnienia.
Pomysł pojawił się w trakcie badań. Istnieje choroba (alkaptonuria), która polega na tym, że w tkance chrzęstnej chorego odkładają się melaniny i powodują jej kostnienie. Postanowiliśmy wykorzystać te związki do stymulowania kostnienia nie w stawach, tylko tam gdzie go potrzebujemy, czyli w kościach. Kolejnym krokiem było wymyślenie sposobu pozyskiwania melaniny i tu znowu pomocne okazały się bakterie (Pseudomonas aeruginosa).
– mówi dr Rudnicka.
Po wysianiu na podłoże mikrobiologiczne ten drobnoustrój wytwarza bakteryjną melaninę – identyczną pod względem chemicznym do tej odkładającej się w stawach chorych na alkaptonurię. Ponieważ możliwe jest produkowanie dużych ilości bakterii, możliwe jest też pozyskiwanie dużych ilości piomelaniny.
Oczywiście nie jest to prosty proces, bo substancję należy wyizolować, scharakteryzować i oczyścić, ale dzięki naszemu badaniu, już wiadomo, że piomelanina jest bezpieczna dla ludzkich tkanek i ma silne właściwości osteoindukcyjne.
– dodaje biolożka.
Wykorzystanie wyników badań
Projekt realizowany jest od dwóch lat. Naukowcy wiedzą już, które substancje i w jakich stężeniach i formie mogą wspierać procesy regeneracyjne kości. Ale nie tylko.
Potrafimy je też wyselekcjonować, dzięki temu w przyszłości będzie można dodawać te czynniki na przykład do opatrunków hydrożelowych, ułatwiających gojenie ran.
– mówi dr Rudnicka.
Jednak głównym celem projektu jest stworzenie implantu, który będzie wszczepiany osobom po urazach kostnych i sprawi, że czas ich hospitalizacji i rehabilitacji znacząco się skróci.
Komercjalizacja
Komitet naukowo-gospodarczy konsorcjum prowadzi rozmowy z firmami produkującymi implanty, tak by po zakończeniu projektu, produkt mógł trafić na rynek.
Trwają również konsultacje z chirurgami i transplantologami. Rozmawiamy o ich oczekiwaniach, ustalamy czy jest możliwe wszczepienie naszych implantów, a także o tym jak szybko implant powinien się metabolizować w organizmie. Ostateczny plan jest taki, żeby sprzedać licencję firmie, która wdroży go na rynek.
– mówi dr Rudnicka.
Rezultatem projektu jest również wypracowanie warsztatu badawczego oraz rozwój kadry naukowej realizującej projekt OsteoRegNET. Dzięki projektowi utworzyliśmy dziewięcioosobowy zespół, który w minionym roku uzyskał Nagrodę Rektora za wysoką aktywność w pozyskiwaniu środków na badania. Opublikowaliśmy dziesięć publikacji i jesteśmy współautorami czterech wniosków o objęcie ochroną patentową wypracowanych w projekcie rozwiązań. Opracowaną przez nas metodyką badawczą w zakresie badania cytozgodności oraz potencjału regeneracyjnego, przeciwdrobnoustrojowego i wspierającego procesy kostnienia zamierzamy się dzielić z innymi badaczami oferując szkolenia specjalizacyjne realizowane na UŁ. Projekt będzie realizowany do 2023 roku. – Planujemy organizować kursy specjalizacyjne z zakresu badania bezpieczeństwa i efektywności biomateriałów przeznaczonych do zastosowań biomedycznych.
– dodaje dr Rudnicka.
Szkolenia rozpoczną się już jesienią tego roku.
Projekt "Wielofunkcyjne kompozyty aktywne biologicznie do zastosowań w medycynie regeneracyjnej układu kostnego” (POIR.04.04.00-00-16D7/18) jest realizowany w ramach programu TEAM - NET Fundacji na rzecz Nauki Polskiej finansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
Materiał: Wydział Biologii i Ochrony Środowiska UŁ