Muszę przyznać, że nie doceniamy naszych ciał. Każdy z nas kiedyś się zranił i przypuszczam, że po ranie pozostało w większości przypadków tylko niemiłe wspomnienie. Jak i oczywiście odnowiona tkanka. Chyba że było to złamane serce, ale jako farmaceuta przyznam, że pozostaje to poza obszarem moich badań. Choć każdy z nas ma blizny lepiej lub gorzej zagojone, to nadal nie wykorzystujemy w pełni tego drzemiącego w nas potencjału regeneracyjnego.

Dlatego w ramach mojego doktoratu zajmuję się tworzeniem i charakterystyką materiałów, które ten potencjał pomogą kiedyś wykorzystać – mam na myśli biodegradowalne implanty naczyniowe.

W Polsce, pomimo licznych programów profilaktycznych, choroby układu sercowo-naczyniowego odpowiadały w 2014 roku za 49% zgonów (WHO, Noncommunicable diseases country profiles 2014). Niekwestionowany lider w dość przykrym rankingu. Cichy zabójca, który kiedy już da o sobie znać, będzie wymagał nie lada środków finansowych i personalnych, aby stawić mu czoło. Bowiem zaawansowane przypadki chorób sercowo-naczyniowych często wymagają interwencji chirurgicznej, która niekiedy wiąże się ze wszczepieniem implantu naczyniowego. Czy to w postaci stentu rozszerzającego zamknięte przez miażdżycę naczynie, czy protezy naczyniowej, która całkowicie zamknięte naczynie pozwoli ominąć.

W czym zatem problem?

Obecnie dostępne na rynku implanty wykonane są z materiałów tak trwałych, jak trwała może być torebka foliowa, mająca przed sobą setki lat powolnego rozkładu. Z kolei w przypadku biologicznych protez naczyniowych pacjenci często muszą oczekiwać na pojawienie się odpowiedniego dawcy lub długotrwałe formowanie protez metodami (niestety nadal) eksperymentalnej inżynierii tkankowej. Niepowtarzalność natury utrudnia nam tutaj skuteczne i szybkie działanie.

Choć współczesne implanty w wielu przypadkach spełniają swoją rolę, to niektóre rozwiązania są zbyt czasochłonne, a wykorzystane materiały nadal za bardzo zwiększają ryzyko powikłań, takich jak zakrzepica czy, paradoksalnie, ponowne zamknięcie naczynia „od środka”.

W samym środku naczynia tkwi problem rodzący te komplikacje. Operacje ratujące życie wystawiają to samo życie na próbę. W momencie wszczepienia stentu czy protezy dochodzi do niewielkich uszkodzeń najcieńszej ze wszystkich warstw naczynia, czyli śródbłonka. Zaburzenie jego funkcji powoduje rozregulowanie delikatnej równowagi biochemicznej naczynia, co może prowadzić do powstawania zakrzepów, stanów zapalnych i w późniejszej fazie przerostu ściany naczynia, a to przyczynia się do jego ponownego zamknięcia. Ponadto raz wszczepione implanty trwałe pozostają w organizmie. Robią swoje, ale nie znikają. Nie rosną wraz z pacjentem, co eliminuje ich stosowanie u dzieci np. z wadami wrodzonymi układu sercowo-naczyniowego.

Elektroprzędzenie receptą na problemy

Z kolei materiały, które tworzę, mogą rosnąć i znikać. Są one bowiem wykonane z biokompatybilnych i biodegradowalnych polimerów, czyli takich lepiej przyjmowanych i przede wszystkim rozkładanych przez nasz organizm.

Materiały, o których mowa, otrzymuję metodą elektroprzędzenia (Rys. 1), które jest świetnym rozwiązaniem pozwalającym na formowanie nowych materiałów do stosowania w chorobach sercowo-naczyniowych. Jest tak dlatego, że po pierwsze, w tej metodzie wykorzystuje się materiały lepiej tolerowane przez nasz organizm, po drugie, pozwala ona na ich łatwe modyfikacje, a po trzecie – elektroprzędzenie generuje produkty zbliżone do struktur, które można znaleźć w naszych ciałach zarówno w skali makro, jak i mikro.

W trakcie elektroprzędzenia z roztworu polimeru w lotnym rozpuszczalniku formowany jest stały materiał. Proces oparty jest na siłach elektrostatycznych wytworzonych po przyłożeniu wysokiego napięcia do igły (Rys. 1a). Powoduje to wyrzucenie roztworu polimeru w postaci strugi (Rys. 1b) i przyciąganie go przez uziemiony kolektor. Plus do minusa, zwykłe zamknięcie obwodu.

Jednak niezwykłe są produkty elektroprzędzenia. W drodze pomiędzy igłą a kolektorem odparowuje lotny rozpuszczalnik (Rys. 1c), a płynna z początku struga zamienia swój stan w stały, skutkując wytworzeniem włókien o nano- i mikrometrowych średnicach (Rys. 1d). Jeżeli kolektor ma postać obracającego się bębna, uzyskuje się struktury cylindryczne (Rys. 1e) zbudowane w całości z włókien. Na uzyskane materiały składają się ich tysiące przy rozmiarach nawet 100 razy cieńszych od ludzkiego włosa.

Z włókien – proteza

Mikrometrowe rozmiary zbliżają włókna do rozmiarów macierzy pozakomórkowej, czyli rusztowania, wedle którego rozwijają się komórki i zarazem zaprawy, która spaja je w jedną tkankę. Dzięki temu możemy wykorzystać je w protezach naczyniowych nowego typu (Rys. 2), które nie będą omijać zamkniętego zmianami miażdżycowymi naczynia, lecz będą pozwalały na regenerację całych jego fragmentów wymagających wymiany. Ta nowa generacja protez nie będzie tworzona miesiącami w szkle, ale będzie opierać się na regeneracji tkanki w miejscu wszczepienia, w naszym ciele i jego siłami.

Przez podobieństwo do macierzy pozakomórkowej włókna składające się na elektroprzędzone protezy działają jak wskazówka dla komórek, które rosną wzdłuż nich. Są niczym mapa drogowa, która prowadzi je do celu. W takich tymczasowych implantach włókna stopniowo znikają, zastępowane przez oryginalne tkanki. Ten naturalny proces regeneracji i odbudowy pozwala na odzyskanie pełnej funkcjonalności naczynia – zarówno biochemicznej, jak i mechanicznej – prowadzi do tego, że znika i sam implant.

Zaletą elektroprzędzonych protez jest ich zwiększona dostępność oraz kontrola nad właściwościami produktu, co pozwala ominąć problemy, z którymi boryka się współczesna transplantologia czy inżynieria tkankowa. Jednak przede wszystkim oszczędza czas, tak ważny dla pacjentów z chorobami sercowo-naczyniowymi. Ponadto sama metoda pozwala uprząść materiał wprost skrojony na miarę potrzeb konkretnego pacjenta, co pozwoli na znaczne spersonalizowanie formowanych w ten sposób wyrobów medycznych.

Z włókien – postać leku

Nie byłbym farmaceutą, gdybym nie spróbował wprowadzić leku do produkowanych materiałów. Tak jak lek rozprowadzony jest w tabletce, tak samo mogę rozprowadzić go w polimerze, z którego przędę włókna, stające się tym samym nową postacią leku. Lek wprowadzam przez zwykłe zmieszanie z roztworem polimeru tuż przed rozpoczęciem przędzenia, bowiem najprostsze rozwiązania są potencjalnie łatwiejsze w dostosowaniu produkcji do większej skali.

Do włókien wprowadzam lek o aktywności przeciwpłytkowej, czyli zmniejszający ryzyko zakrzepów. Ponadto może on wpływać pozytywnie na funkcję wspomnianego już śródbłonka, jak i na proces regeneracji tkanki naczynia. Tym samym tego typu rozwiązanie można wykorzystać u starszych pacjentów o mniejszej zdolności do regeneracji w celu jej stymulowania. Należy bowiem pamiętać, że leki mogą znacznie więcej niż to, co możemy znaleźć w załączonej do nich ulotce. Jest to często kwestia dawki i miejsca podania.

Dodatkowym zastosowaniem materiałów elektroprzędzonych zawierających substancję leczniczą może być wykorzystanie ich jako nowego pokrycia dla stentów uwalniających lek, czyli stentów lekowych (Rys. 3). Zastosowanie biodegradowalnych polimerów i możliwość wprowadzenia znacznie wyższych dawek leku stanowią sporą zaletę w stosunku do obecnie stosowanych metod powlekania stentów tego typu. Z kolei sama metoda elektroprzędzenia pozwala na stosunkowo swobodny dobór wprowadzonej dawki leku. Tym samym umożliwi to personalizację wyrobów medycznych w stopniu większym niż dotychczas.

Co już wiem?

Wydajność produkcji elektroprzędzonych materiałów jest satysfakcjonująca i wynosi blisko 70%. Na moje materiały składają się naprawdę małe włókna (Rys. 4), ale o właściwościach mechanicznych, które nie ustępują wspomnianej już macierzy pozakomórkowej. Dobrze rokuje to perspektywie regeneracji tkanek, w końcu komórki preferują środowisko, które już znają. Uzyskiwane z włókien materiały są bardzo rozciągliwe, gdyż pękają w niektórych przypadkach dopiero po wydłużeniu ich do sześciokrotności ich początkowej długości. W mnogości mikrowłókien tkwi nie lada siła!

W trakcie produkcji nie tracę leku, który wprowadzam do elektroprzędzonych struktur, gdyż wartości oczekiwane są zbliżone do tych uzyskanych w ramach mojej kontroli jakości. Sama forma leku nie ulega zmianie w trakcie elektroprzędzenia, co oznacza, że kończę pracę z taką samą substancją, z jaką zaczynałem. Czy to ważne? Gdyby lek zmieniał się w trakcie produkcji, mogłyby się zmieniać i jego właściwości, jak np. rozpuszczalność w środowisku wodnym czy stabilność w czasie. To z kolei mogłoby znacząco wpływać na jego uwalnianie i przyswajanie już po podaniu. A na taką nieprzewidywalność zwyczajnie nie ma w farmacji miejsca.

Badany lek przeciwpłytkowy uwalnia się z elektroprzędzonych materiałów w sposób przewidywalny i powtarzalny w warunkach, w których zazwyczaj testuje się stenty lekowe. Sama stabilność też prezentuje się przyzwoicie i pozwala na przechowywanie materiałów w warunkach pokojowych przez około 240 dni bez wyraźnych zmian ich struktury oraz ciągłości samych włókien.

Tworzone materiały są dobrze zwilżane, co oznacza, że woda nie ma problemu, aby je penetrować. Tym samym komórki – czy w przypadku protez naczyniowych, czy pokryć stentowych – będą miały dogodne warunki do wymiany substancji odżywczych i produktów przemiany materii. Tworzone przeze mnie materiały mogą stymulować rozwój śródbłonka, jednocześnie hamując nieco rozwój komórek, które mogą się przyczyniać do ponownego zamknięcia naczynia.

Perspektywy

Moje badania to raptem wycinek tego, co musi zostać jeszcze zrobione, jednak perspektywy stojące przed materiałami elektroprzędzonymi stymulują do działania.

Nowe elektroprzędzone pokrycie stentowe da większą możliwość doboru dawki leku i poprawi dość szorstkie niekiedy relacje między stentem a ścianą naczynia, przez które czasem cierpi pacjent. Biodegradowalna proteza naczyniowa zredukuje ryzyko komplikacji, kolejnych operacji czy długotrwałej farmakoterapii związane przeważnie ze współcześnie stosowanymi materiałami do produkcji protez. Pozostawi za to nowe tkanki i nowe naczynie bez żadnych ciał obcych.

Mimo że elektroprzędzone materiały mają jeszcze długą drogę przed sobą, to jestem w stanie sobie wyobrazić, że kiedyś rzeczywiście zrobią swoje i znikną.