Gel místo sádry
11. 3. 2011
Lidský organismus se se zlomeninou kosti vyrovnává v délce 4 až 14 týdnů v závislosti na postiženém místě a komplikovanosti zranění. Současná dostupná léčba zlomenin má své kořeny již před mnoha tisíci lety. Nejstarším způsobem je znehybnění dnes již klasickou sádrovou dlahou, nebo modernějšími plastovými obvazy. U komplikovanějších zlomenin je nutné přistoupit k operačnímu řešení. Ojedinělou cestou se vydali chemici z Vysokého učení technického v Brně, zlomeniny totiž chtějí léčit speciálním hydrogelem. Ten bez sádry či šroubů zafixuje kost, takže pacient odejde od lékaře po svých. Úspěch tohoto výzkumu by znamenal, že sádra bude jednou pro vždy minulostí.
Kosti. Tak tvrdé a přesto křehké. Slouží jako mechanická ochrana vnitřních orgánů a jako opora těla. Porušením kostí vznikají vážné problémy, které často vyžadují dlouhodobou léčbu. Současná léčba zlomenin má své kořeny už před mnoha tisíci lety. Nejstarším způsobem je znehybnění dlahou. Dnes klasicky používáme sádru. U komplikovanějších zlomenin je nutná operace, například při zpevňování kostí kovovým materiálem nebo zevní fixací. V krajním případě je nutné poraněnou část těla amputovat, spíše než dlouhodobě zatěžovat organismus náročnou léčbou s mizivou šancí na úspěch.
Chemici z Vysokého učení technického v Brně se ale vydali ojedinělou cestou. Vyvinuli nové dočasné implantáty na bázi biopolymerů, které budou sloužit nejen k léčbě kostí, ale i chrupavek, vazů či menisků.
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc., ředitel Ústavu chemie materiálů VUT v Brně: Zabýváme se tkáňovým inženýrstvím v oblasti buněčných terapií, to znamená materiálů, které slouží k tomu, aby na nich rostly buňky specifické, aby ty buňky byly schopny se diferencovat do patřičných buněčných typů a aby potom takovéto substráty s těmi buňkami mohly být implantovány do pacientů, kde mají především zrychlit hojení jak kostí, chrupavek, případně jiných měkkých tkání.
Tyto biomateriály vyvíjejí vědci buď na přírodním, nebo na syntetickém základě.
U syntetických, umělých materiálů, které se vyrábí v laboratoři na speciálních vakuových linkách, si mohou vědci přesněji ušít na míru jejich vlastnosti tak, aby co nejvíce odpovídaly účelu, pro který jsou vytvářeny. Základ přírodních biomateriálů tvoří většinou kolagen. Tato ve vodě nerozpustná bílkovina je základní stavební hmotou pojivových tkání živočichů. Kolagen je schopen se sám uspořádávat do vyšších organizovaných struktur, jako jsou mikrovlákna a nanovlákna.
Ing. Lucy Vojtová, Ph.D., vědecká pracovnice, Ústav chemie materiálů: Polymerní matrice na základě kolagenu je hlavní složkou, nicméně materiál je kompozitní, takže do toho přidáváme další přídavné složky tak, aby fungovaly pro tu danou aplikaci. Takže do kosti se tam přidává určitý anorganický materiál, ze kterého je naše kost složena, do chrupavek zase tam přidáváme organický materiál, ze kterého je složena chrupavka.
Materiál tedy slouží jako nosič, do kterého se v laboratořích tkáňového inženýrství přidávají mezenchymové kmenové buňky. Ty se získávají z krve kostní dřeně samotného pacienta – nebo od dárce – a mají schopnost se specializovat v jakoukoli buňku lidského těla. V případě zlomeniny se tedy stávají kostními buňkami. Spouštějí samoobnovení tkáně, čímž výrazně urychlí hojení. Rovněž umožní vyléčit takové poranění kosti, které by se za normálních okolností samo vůbec nezacelilo.
První testy na zvířatech uskutečnil tým Veterinární a farmaceutické kliniky v Brně. S úspěchem tu operovali zranění stehenní kosti prasete. Lékaři nejprve chirurgicky obě části kosti spojili pomocí kovových výztuží. Poté do místa chybějící kostní tkáně implantovali nachystané buňky spolu s jejich nosičem, který tvarem odpovídal zničené kosti.
prof. MVDr. Alois Nečas, Ph.D., MBA, děkan FVL VFU Brno: Implantát, který v současné době používáme u zvířat, je implantát, který se podobá kosti svým složením, a to jak strukturou, tak i 3D rozměrem v podobě tvaru dané kosti, kde nahrazujeme ztrátu určitého jejího sloupce. Je to materiál, který se následně resorbuje, který nezanechá v tom těle žádné negativní známky a přestaví se v kostní tkáň.
Vzhledem k tomu, že vkládání těchto materiálů vyžaduje chirurgický zásah, vznikla již před více než deseti lety myšlenka vytvořit „vstřikovatelné kostní adhezivum“. Takový materiál by bylo možné dopravit na místo zranění injekční stříkačkou a operace by odpadla. Tento speciální polymerní kompozit je termosenzitivní, což znamená, že je za pokojové teploty tekutý, zatímco při teplotě lidského těla během několika desítek vteřin ztuhne. S jistou nadsázkou by se dalo říci, že porušenou kost dokonale slepí.
Teplotu, při které tento hydrogel ztuhne na pevnou látku, jsou vědci schopni nastavit přesně podle svých představ. Pro lidský organismus to činí rozmezí 33 až 45 stupňů.
Ing. Lucy Vojtováa, Ph.D., vědecká pracovnice, Ústav chemie materiálů: Teplotní škála, není to jen pouze jedna daná teplota, je samozřejmě širší proto, aby když někdo má horečku, aby se mu daný materiál nerozpustil v těle.
Polymerní hydrogel se navíc v živém organismu poté, co splní svůj účel, sám rozkládá. Nejdříve na neškodné látky a v konečné fázi až na oxid uhličitý a vodu. Rozklad hydrogelu v organismu se dá nastavit na určitou dobu, od velmi krátkého úseku několika dní až na několik měsíců, popřípadě let. Navíc je možné daný materiál obohatit stejně, jako u přírodních biopolymerů. Mohou se použít hojivé látky, růstové faktory či buňky tkáňového inženýrství tak, aby se urychlilo bezbolestné hojení, uvolňovala se speciální léčiva nebo proteiny.
Běžného použití přírodních bioplymerů v léčbě kostních defektů se možná dočkáme už v několika příštích letech. Syntetické materiály si na svého prvního lidského pacienta budou muset počkat o poznání déle.
Ing. Lucy Vojtová, Ph.D., vědecká pracovnice, Ústav chemie materiálů: Maily typu zlomil jsem si včera nohu, popřípadě obě ruce, což mi také psal nějaký pán, a že potřebuje nutně odletět do Austrálie, nebo si nutně potřebuje jít zahrát tenis a potřebuje vstříknout ten náš hydrogel. Bohužel. Nedá se v téhle situaci, momentální době poskytnout.
Vědci mají před sebou ještě dlouhou cestu. Polymerní hydrogel musí ještě získat strukturu a pevnost kosti, musí se dokonale vstřebávat, nesmí vzbuzovat nepříznivé reakce tkání a musí dokonale přilnout ke kosti.
Výzkum se během několika málo let přesune do nově vznikajícího Středoevropského technologického institutu v Brně. Nové laboratoře jsou navrženy přesně na míru potřebám vědeckého bádání.
Mgr. Bc. Petra Střítecká, Středoevropský technologický institut: Konkrétně tým Lucy Vojtové má v CEITECU naplánované několikeré pomocné pracovní síly a drahé unikátní přístroje, které budou využívat, které pomůžou ten výzkum přesunout úplně jinam a především ho značně urychlit.
Dalekosáhlé vize mají vědci především u syntetických materiálů. Zvažují jejich mnohem širší uplatnění, které bude především záviset na látkách, o které se obohatí. Například v oftalmologii by pomáhaly při léčení nemocí očí, do kterých by uvolňovaly hojivé látky. Mohou také sloužit jako dočasné náhrady v plastické chirurgii při poúrazové rekonstrukci ucha, nosu či jiných částí těla.
Polymerní kompozity se neuplatňují jen v medicínských oborech. Používají se také v letectví a kosmonautice. Příkladem je poslední model dopravního letadla Boeing 787 Dreamliner, jehož trup je vytvořen z polymerních kompozitů s uhlíkovými vlákny.
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc., ředitel Ústavu chemie materiálů VUT v Brně: Výhoda těchto materiálů spočívá především v jejich schopnosti být připraveny s vlastnostmi dle patřičné aplikace, říká se tomu, že se šijí na míru.
Polymerní kompozity jsou svými vlastnostmi podobné lidskému organismu, který je ve své podstatě také kompozitem. Charakter tkání se přesně přizpůsobuje namáhání určitých míst. Takovým příkladem jsou především tvrdé tkáně kostí či zubů, kde se polymerní složky kombinují s anorganickými výztužemi. A vědci se při výzkumu plně syntetických polymerních kompozitů chtějí vlastnostem těla přiblížit co nejvíce.
Autor: Jan Oraský