Nasze magazyny
Medycyna wciąż posuwa się do przodu, zwyciężając choroby dawniej uznawane za nieuleczalne. Niestety, niektóre leki zwalczające poważne schorzenia jednocześnie oddziałują niekorzystnie na organizm pacjenta. Brak możliwości bezpiecznego testowania na żywych organizmach nowych terapii z wykorzystaniem niestosowanych dotąd medykamentów o trudnych do przewidzenia efektach ubocznych jest hamulcem postępu. A może raczej był, bo rozwiązaniem tego problemu może okazać się wynalazek polskich naukowców, zaprezentowany w ramach programu Top 100 Innowacji Politechniki Śląskiej.
Przełom w terapii nowotworów: polska innowacja w testowaniu leków
Projekt noszący nazwę „Mikroukład do hodowli sferoidów komórkowych w hydrożelach” umożliwia badanie wpływu leków na komórki nowotworowe oraz monitorowanie w czasie rzeczywistym reakcji na terapię. Dzięki temu pacjent onkologiczny ma pewność, że lek faktycznie zwalcza komórki nowotworowe. Jest to szczególnie ważne, gdyż medykamenty stosowane w chemioterapii przeważnie wywierają negatywny wpływ na organizm. Wynalazek może służyć również do wykrywania komórek nowotworowych we krwi oraz mieć zastosowanie np. w diagnostyce niepłodności1. Mikroukład w lipcu 2022 r. został zaprezentowany mediom na pierwszym z serii cyklicznych spotkań z inicjatywy Politechniki Śląskiej pod nazwą „Top 100 Innovations”, przedstawiających nowatorskie rozwiązania o dużych szansach na wdrożenie. Jest dziełem interdyscyplinarnego zespołu badawczego pod kierownictwem prof. dr. hab. inż. Sebastiana Studenta z Politechniki Śląskiej, który został za to uhonorowany prestiżową Śląską Nagrodą Naukową w kategorii pracownik2.
Jak to działa?
Mikroukład do hodowli sferoidów komórkowych w hydrożelach to miniaturowe urządzenie laboratoryjne wykorzystujące technologię mikroprzepływową połączoną z obserwacją mikroskopową. Jest to układ mikronaczyń wypełnionych termoreaktywnymi hydrożelami. Samo urządzenie mikroprzepływowe nie jest niczym nowym, tego typu konstrukcje pojawiły się już w latach 80. XX w. i obecnie są powszechnie wykorzystywane w biochemii, biotechnologii oraz biologii molekularnej, m.in. do analizy kwasów nukleinowych, hodowli tkankowych albo badania zachowania i metabolizmu komórek bakteryjnych3.
Dzięki temu platforma w warunkach in vitro odwzorowuje kluczowe cechy warunków in vivo: komórki są osadzone w sztucznym trójwymiarowym mikrośrodowisku, gdzie następuje ciągła dyfuzyjna wymiana substancji odżywczych i produktów przemiany materii. To prawdziwy przełom! Większość powszechnie stosowanych technik długotrwałych hodowli komórkowych wymaga okresowej wymiany pożywki ze względu na wyczerpywanie składników odżywczych i gromadzenie się metabolitów. Wymiana pożywki oznacza gwałtowną zmianę składu środowiska otaczającego komórki, co naraża je na szok i wyklucza możliwość ich długoterminowego badania w stabilnych warunkach. Tymczasem w przypadku polskiego symulatora jedynym ograniczeniem dla długoterminowej hodowli komórek jest pojemność mikrokomór.
W platformie mikroprzepływowej zastosowano hydrożel na bazie poli-(N-izopropyloakryloamidu), wzbogacony w takie składniki, jak cukier trechaloza. Ten termoczuły polimer imituje macierz pozakomórkową (ECM – extracellular matrix), czyli substancję wypełniającą przestrzeń między komórkami żywego organizmu. Konstrukcja mikroukładu pozwala unieruchomić w matrycy hydrożelowej niewielkie populacje komórek, a nawet pojedyncze komórki. Poszczególne mikrokomory są połączone z kanałem zapewniającym stały przepływ świeżej napowietrzanej pożywki utrzymywanej w kontrolowanej temperaturze 37°C. Takie rozwiązanie odwzorowuje naturalną wymianę substancji odżywczych i produktów przemiany materii między płynem zewnątrzkomórkowym a naczyniami włosowatymi, odbywającą się na drodze ciągłej dyfuzji.
Badacze mogą sterować różnymi parametrami: temperaturą, składem gazu i dostarczaną pożywką, w ten sposób precyzyjnie ustalając konkretne warunki niezbędne do prowadzenia hodowli komórek i testowania na nich leków. I tak autorom projektu udało się stworzyć sztuczne trójwymiarowe mikrośrodowisko pozwalające na prowadzenie długotrwałych mikroskopowych obserwacji dynamiki wzrostu pojedynczych komórek w warunkach zbliżonych do panujących w żywym organizmie.
Innowacyjny mikroukład udało się z sukcesem wykorzystać m.in. do hodowli komórek raka szyjki macicy. Przebieg eksperymentu dokumentowano za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego rejestrującego co godzinę po 2 obrazy z każdej z 96 mikrokomór symulatora1. Według prof. Sebastiana Studenta stymulator mikroukładu do hodowli sferoidów komórkowych w hydrożelach znajdzie zastosowanie zwłaszcza w pierwszych fazach badań nad lekami, gdy unika się sprawdzania skuteczności działania substancji na żywych organizmach. W przyszłości ów wynalazek może się okazać rozwiązaniem etycznego problemu testowania leków na zwierzętach i ludziach. Dzięki platformie mikroprzepływowej lekarze zyskają możliwość weryfikacji działania danego medykamentu na komórki wybranego nowotworu przed podaniem go pacjentowi onkologicznemu osłabionemu walką z chorobą. Platforma może znaleźć zastosowanie zarówno w terapii, jak i diagnostyce, w wielu różnych działach medycyny.
Siła współpracy - nowe możliwości
Tworzenie tak złożonego i nowatorskiego projektu było możliwe dzięki połączeniu wiedzy i umiejętności specjalistów z wielu różnych dziedzin pozornie ze sobą niezwiązanych. Kierownik zespołu, prof. Sebastian Student, jest pracownikiem Katedry Inżynierii i Biologii Systemów Politechniki Śląskiej na Wydziale Automatyki Elektroniki i Informatyki, a jednocześnie dyrektorem Centrum Biotechnologii. Pozostałymi członkami są prof. Ilona Wandzik i prof. Małgorzata Milewska reprezentujące Katedrę Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Biotechnologii na Wydziale Chemicznym, prof. Ziemowit Ostrowski i prof. Maria Gracka – pracownicy Katedry Techniki Cieplnej na Wydziale Inżynierii Środowiska i Energetyki, a także dr inż. Kazimierz Gut z Katedry Optoelektroniki na Wydziale Elektrycznym. Należy podkreślić, iż projekt mogący stać się przełomem w medycynie został opracowany przez naukowców specjalizujących się w dziedzinach inżynieryjno-technicznych i biotechnologicznych zasilających kadry Politechniki Śląskiej.
Według prof. Studenta współczesna medycyna nie może istnieć bez inżynierii biomedycznej. Inżynierowie zajmujący się biotechnologiami dostarczają medykom m.in. technik precyzyjnej oceny różnych parametrów oraz technologii pozwalających odwzorować procesy zachodzące w żywych komórkach. Kierownik projektu za szczególnie mocny obszar techniki medycznej uznaje bioinformatykę4. Prorektor ds. nauki i rozwoju prof. Marek Pawełczyk już podczas pierwszej publicznej prezentacji mikroukładu podkreślał, że Politechnika Śląska jako ambitna uczelnia badawcza prowadzi liczne badania nad innowacyjnymi rozwiązaniami na rzecz społeczeństwa i gospodarki, w tym medycyny. Uczelnia współpracuje m.in. z pobliskim Narodowym Instytutem Onkologii. Przykładami jednostek Politechniki Śląskiej z pogranicza technologii, inżynierii i medycyny są Centrum Biotechnologii oraz funkcjonujące od niedawna Europejskie Centrum Innowacyjnych Technologii dla Zdrowia.
Nowe kierunki rozwoju
Mikroukład do hodowli komórek to pierwszy, ale z pewnością nie ostatni z innowacyjnych wynalazków opracowanych przez naukowców Politechniki Śląskiej, których prezentacja jest planowana w ramach cyklu „TOP 100 Innovations”. Baza projektów jest prowadzona i nadzorowana przez Centrum Inkubacji i Transferu Technologii Politechniki Śląskiej (CITT). Ta jednostka uczelni ma za zadanie wyłanianie rozwiązań mających najwyższy potencjał do komercjalizacji lub mogących szczególnie zainteresować biznes, a jednocześnie charakteryzujących się odpowiednim poziomem gotowości technologicznej według skali TRL, co umożliwia ich zastosowanie rynkowe. Do obowiązków CITT należy również odpowiednie ukierunkowanie i zabezpieczanie od strony prawnej dóbr intelektualnych uczelni, zanim trafią na rynek. Onkologia obliczeniowa i spersonalizowana medycyna, w których zakres wchodzą prace nad symulatorem do hodowli komórek, to jeden z 6 priorytetowych obszarów badawczych, w jakich specjalizuje się Politechnika Śląska. Pozostałe to sztuczna inteligencja i przetwarzanie danych, materiały przyszłości, inteligentne miasta i mobilność przyszłości, automatyzacja procesów i przemysł 4.0 oraz ochrona środowiska i klimatu, nowoczesna energetyka.
- MaterSciEng C MaterBiolAppl. 2021 Feb; 119:111647.
- https://silesion.pl/rozdano-slaskie-nagrody-naukowe-za-2022-rok/
- Science. 2009 Jan 2; 323(5910): 133-8; Nanomedicine (Lond). 2010 Apr; 5(3): 469-84; IntegrBiol (Camb). 2017 May 22; 9(5): 383-405.
- https://forumakademickie.pl/badania/symulator-do-badan-na-komorkach-nowotworowych
