Od chemie k medicíně (a zpátky)

Na stránkách Vesmíru jsme už představili tři výzkumné programy centra BIOCEV: Funkční genomika, Buněčná biologie a virologie, Strukturní biologie a proteinové inženýrství. Čtvrtý program Biomateriály a tkáňové inženýrství nyní představuje jeho vedoucí Dr. Tomáš Etrych.

Co všechny projekty spadající do programu spojuje? — Program propojuje výzkumné skupiny pracující v různých oborech. Chemici, biochemici a chemičtí inženýři připravují nové biomateriály, s nimiž pracují biologové a lékaři zkoumající možnosti jejich využití. Společně se snažíme hledat vztahy mezi strukturou materiálu, jeho funkcí a využitím v biologickém výzkumu a v medicíně. Od základních chemických syntéz se přes biologii a medicínu snažíme dopracovat k produktům s potenciálem praktického využití.

Takže důležitá je ona mezioborová spolupráce? — Ta je klíčová. A nejde jen o propojení skupin pracujících přímo v BIOCEV, ale o širší spolupráci na ně navázaných pracovišť, jako je Ústav makromolekulární chemie AV ČR, Fyziologický ústav AV ČR, Ústav experimentální medicíny AV ČR nebo 1. lékařská fakulta UK. Věda je dnes tak daleko, že chemik nemůže dost dobře rozumět třeba imunologii a naopak.

Snímek Jana Plavec, AV ČR

Jak to propojení funguje? Na začátku je polymer, pro který se hledá využití, nebo naopak chemici vyvíjejí materiál na objednávku biologů a lékařů? — Funguje to oběma směry. Pokud my chemici připravíme materiál, o kterém si myslíme, že by mohl být zajímavý, kolegové nám ho pomůžou otestovat. A jindy naopak oni přijdou s nápadem, pro který jim připravíme materiál na míru. Impulsy přicházejí z obou stran, důležité je sdílení dat a zkušeností, to spolupráce v BIOCEV velmi usnadňuje. Zajímavé nápady se často rodí z diskusí, ze vzájemné inspirace. Mnohdy v tom hraje roli i náhoda. Vyvíjíme třeba polymer s nějakým záměrem, ale z debaty s biology vyplyne možnost jeho použití v úplně jiném kontextu.

Vy sám se podílíte na projektu Polymerní a koloidní imunoterapeutika. O co v něm jde? — Cílem je připravovat nové polymerní a koloidní systémy využitelné pro cílenou dopravu léčiv, pro diagnostiku nebo jako polymerní vakcíny. Syntetické polymery připravujeme tak, aby měly vlastnosti umožňující jejich využití v lidském organismu. Aby byly neadhezivní, neinteragovaly nežádoucím způsobem s tkáněmi a byly neviditelné pro imunitní systém. Koloidní systémy jsou založeny na nanočásticích. A syntetické polymery s koloidními materiály také kombinujeme, abychom využili výhod obou systémů. Dnes jsou hodně populární teranostika – systémy zvládající zároveň diagnostiku i terapeutické působení. Není to tak jednoduché, jak se to často prezentuje, ale koncept je to nesmírně zajímavý.

Diagnostické využití si lze představit jak? — Cílem je zobrazit v organismu tkáně nebo struktury, které nás zajímají. Lze například odlišit nádor od zdravé tkáně nebo sledovat distribuci léčiva. Pracujeme například s nanočásticemi oxidů železa, které jsou paramagnetické, takže se dají využít pro magnetickou rezonanci. Využíváme i fluorescenční značky navázané na polymerní nosič. A v poslední době hodně experimentujeme s polypyrrolovými částicemi, které mají fotoakustické vlastnosti. Když na ně posvítíme určitou vlnovou délkou, vrátí zpět ultrazvukový signál.

Zmínil jste polymerní vakcíny. Jak si je můžeme představit? — Na polymerní nosič jsou navázány jak antigeny, tak adjuvancia, která jsou pro fungování vakcíny důležitá. Adjuvancia jsou často příčinou nežádoucích vedlejších účinků, jejich vazba na polymer má pomoci tyto vedlejší účinky omezit. Polymer umožňuje kontrolovaně dopravovat všechny složky vakcíny v jednom „balíčku“ do cílového místa – zlepšit farmakokinetiku, zefektivnit interakci s buňkami imunitního systému, zajistit dlouhodobé působení a minimalizovat nežádoucí účinky. Takto připravené vakcíny lze využít jak v profylaxi infekčních chorob, tak v imunoterapii nádorových onemocnění. Data ze zvířecích modelů jsou povzbudivá, ale cesta ke klinickému využití je samozřejmě dlouhá a náročná.

Dalším projektem je Využití kmenových buněk a biomateriálů v buněčné terapii. — Tato skupina sleduje několik výzkumných směrů. Studuje například možnosti léčby centrální nervové soustavy s využitím kmenových buněk, polymerních hydrogelů nebo mikroRNA. Nebo vyvíjí takzvané organoidy, tedy trojrozměrné modelové systémy, které napodobují mikroprostředí organismu. Lze tak vytvořit například model hematoencefalické bariéry pro testování léčiv. To je něco, co v klasické tkáňové kultuře studovat nelze. Tyto trojrozměrné systémy umožňují provést řadu experimentů, které by se jinak musely dělat in vivo. Výzkum se tím urychluje a snižuje se utrpení pokusných zvířat. Bez nich se výzkum sice úplně neobejde, ale přijdou na řadu až u vzorků, u nichž máme dobrý důvod předpokládat, že skutečně budou fungovat.

Do programu dále patří projekt Bioarteficiální struktury pro náhradu a regeneraci poškozených tkání. Takže opět kombinace syntetických a biologických struktur? — Ano, jedním z cílů je vývoj umělých cévních náhrad malého průměru. Větší cévní náhrady jsou běžně dostupné, ale v menších rozměrech nastává problém s jejich ucpáváním. Tato výzkumná skupina proto pracuje na nových syntetických i biologických materiálech, které slouží jako „lešení“ pro růst buněk. Pro tvorbu tohoto „lešení“ lze využít i metody 3D biotisku. Dalším směrem výzkumu je úprava kovových materiálů používaných pro tkáňové náhrady. Snahou je modifikovat jejich povrch tak, aby se minimalizovaly nežádoucí interakce s organismem a naopak aby se posílily interakce žádoucí – například aby implantát správně porostl kostní tkání.

Posledním výzkumným projektem jsou Kmenové buňky v epidermis a jejich užití v buněčné terapii. — Výzkum kožních kmenových buněk vedl k odhalení významu fibroblastů pro hojení tkání. Ukázalo se, že specifické fibroblasty jsou velmi důležité také třeba v nádorové tkáni, jejímuž růstu napomáhají tvorbou vhodného mikroprostředí. Skupina se teď proto soustředí na studium tohoto mikroprostředí a na možnosti jeho úprav ve snaze omezit nádorové bujení.

Do programu patří ještě Laboratoř čistých prostor. Co je jejím úkolem? — To je naše propojení ke komerční sféře. Slouží jak pracovníkům BIOCEV, tak externím spolupracovníkům. Umožňuje výsledky základního výzkumu transformovat v produkci potenciálně zajímavých materiálů v podmínkách a kvalitě přesně definovaných normami.

Tomáš Etrych, vedoucí programu Biomateriály a tkáňové inženýrství v BIOCEV a oddělení Biolékařské polymery v Ústavu makromolekulární chemie AV ČR.