Sciencemag.cz
Doporučujeme
Nový materiál, který zvýší kvalitu syntetických maloprůměrových nanovlákenných cévních náhrad, vyvinuli vědci Technické univerzity v Liberci. Vědecký tým profesora Davida Lukáše z Katedry netkaných textilií a nanovlákenných materiálů Fakulty textilní TUL se ve spolupráci s vědci Fakulty vojenského zdravotnictví Univerzity obrany v Hradci Králové a lékaři Kardiochirurgické kliniky Fakultní nemocnice Olomouc zaměřil v rámci projektu Ministerstva zdravotnictví ČR na vývoj nového nanovlákenného materiálu pro maloprůměrové cévní náhrady. Na realizaci projektu se podílí také tým docenta Lukáše Čapka s Fakulty strojní TUL.
HISTORIE VÝZKUMU
Nový materiál je výsledkem pětiletého týmového výzkumu. Impuls k zahájení výzkumu vyšel z nemocniční praxe z kardiologických a kardiochirurgických oddělení. Ta se musejí vyrovnávat s nedostatkem vlastních štěpů, které jsou první metodou volby při kardiochirurgických operacích. Spolupráce s kardiochirurgy přinesla konkrétní požadavky. Úkol byl náročný vzhledem ke složitosti cévní tkáně, která obsahuje několik typů buněk. Výsledkem výzkumné práce jsou dvouvrstvé cévní náhrady, kde nanovlákenná struktura velmi přesně napodobuje mezibuněčnou hmotu v cévách.
Cíle technického řešení bylo dosaženo kombinací vhodných polymerů ze třídy biodegradabilních polyesterů, které jsou v současné době hojně využívány i pro jiné aplikace tkáňového inženýrství. Vhodnou kombinací materiálů byla vytvořena struktura, která podporuje osídlení cévní náhrady správnými buněčnými typy, má vhodné mechanické vlastnosti a je degradabilní, což může napomoci tzv. remodelaci tkáně a zajistit tak dlouhodobou funkčnost v organismu.
V laboratoři tkáňového inženýrství na FT TUL již byly vyrobeny stovky metrů nových cévních náhrad. Pod odborným veterinárním dohledem proběhly zkoušky na zvířatech – potkanech a králících. Cévní maloprůměrové náhrady jsou vyráběny elektrostatickým zvlákňováním na rotující kolektor ve tvaru válce s průměrem v rozmezí 1 až 6 mm pro současné experimenty. Tento průměr lze však libovolně měnit použitím kolektoru s jiným průměrem. Tloušťku stěny cévní náhrady lze řídit dobou zvlákňovacího procesu. „Dosavadní výsledky jsme vyhodnotili jako velmi slibné. Pokusy in vivo potvrdily funkčnost elektrostaticky zvlákněných cévních náhrad z biodegradabilních materiálů. Byly již zahájeny první pokusy na vyšších živočiších – prasatech, zatím však nemáme podrobnější výsledky. Pokusy na zvířatech provádíme co nejšetrněji a omezujeme je na minimum. Bez nich se ale neobejdeme, aby bylo možné přistoupit ke klinickým zkouškám na lidských pacientech,“ uvedl člen vědeckého týmu Petr Mikeš.
Členka týmu Jana Horáková zdůrazňuje, že nejprve musí úspěšně proběhnout preklinické in vivo zkoušky: „Spěch není na místě, protože jde o rizikovou aplikaci. Například při testování kostních či kloubních náhrad v případě selhání není ohrožen život testovaného (zvířete/pacienta). Nicméně pokud nedojde k prokrvení dané tkáně, kterou je zásobována část za implantovanou cévní náhradou, jde o velmi závažnou komplikaci končící zpravidla rychlou smrtí. Vzhledem k náročnosti tohoto výzkumu se klinické zkoušky nepředpokládají dříve než za 4-5 let. Po tuto dobu jsou náklady na výzkum hrazeny z projektu Ministerstva zdravotnictví.“
PŘEDNOSTI NOVÉHO MATERIÁLU
Syntetické cévní náhrady jsou vyráběny technologií elektrostatického zvlákňování z biokompatibilních a biodegradabilních materiálů. Právě biodegrabilita (postupné rozložení v organismu – degradace) je výraznou novinkou a kvalitativním posunem oproti dosavadním nebiodegradabilním =inertním cévním náhradám. Použité materiály degradují řádově několik měsíců, je tedy zajištěn dostatečný čas pro tzv. remodelaci (znovuvytvoření) plně funkční tkáně. Nanovlákenné cévní náhrady svojí jemnou strukturou simulují mezibuněčné prostředí a umožňují do nich pronikat buňkám z cévního řečiště, krve a okolního prostředí. Tyto buňky postupně osidlují prostory mezi vlákny a zároveň si začínají sami produkovat svou vlastní mezibuněčnou hmotu. V ideálním případě se biodegradabilní materiál rozkládá úměrně tomu, jak se tvoří mezibuněčná hmota produkovaná vlastními buňkami organismu, které osídlily cévní náhradu. Elektrostatické zvlákňování umožňuje produkci vláken, která jsou podobná přirozené extracelulární hmotě, a proto je osidlování buňkami po implantaci usnadněno. Důležitá je možnost řízení degradace. Rychlost degradace, morfologie vlákenné struktury a mechanické vlastnosti lze řídit složením materiálu. Syntetické náhrady tedy slouží jako dočasná podpora, buňky do nich infiltrují a vytvářejí si vlastní mezibuněčnou hmotu. Ideální stav nastává, když se umělá céva se rozpadne a nahradí ji postupně přirozená tkáň, která bude fungovat jako plnohodnotná céva.
Biodegradabilní cévní náhrady snižují také riziko nežádoucích reakcí imunitního systému a dosahuje se lepší interakce s organismem v porovnání s inertními materiály používanými v klinické praxi doposud.
Novinkou vědeckého týmu je také to, že přišel na to, jak je možné růst buněk na cévní náhradě stimulovat různými látkami (např. oxid dusnatý), které podporují například množení endotelových buněk, zamezující trombotizaci, a potlačující zánětlivou reakci, která nastává vždy při implantaci cizorodého materiálu.
PRESTIŽNÍ CENA THÉOPHILA LEGRANDA ZA INOVACE V OBLASTI TEXTILU
Projekt zaměřený na nanovlákenné cévní náhrady, kterým se věnovala Jana Horáková ve své dizertační práci, získal letos prestižní Cenu Théophila Legranda za inovace v oblasti textilu přinášejících prospěch lidstvu. Do soutěže se přihlásila v týmu s kolegy z katedry netkaných textilií a nanovlákenných materiálů Petrem Mikešem a Alešem Šamanem. Část svého výzkumu prováděla Jana Horáková také v laboratořích na Michigan Technological University ve Spojených státech, kde pobývala na roční stáži jako stipendistka Fulbrightova – Masarykova programu.
ZAMĚŘENÍ DALŠÍHO VÝZKUMU NA KATEDŘE NETKANÝCH TEXTILIÍ
Pracovníci katedry netkaných textilií a nanovlákenných materiálů se zaměřují na vývoj nových nanovlákenných materiálů především pro medicínské účely. Spolupracují při jejich aplikacích s výzkumnými pracovišti v řadě zemí – univerzity v USA, Anglii, Německu a s předními českými klinikami.
Jako velmi perspektivní se jeví uplatnění nových nanomateriálů:
● Při využití nanovlákenné vrstvy/membrány z polykaprolaktonu (PCL) k úspěšné léčbě akutních i chronických kožních defektů – například bércové vředy, nebo těžko hojitelné rány při diabetes, čeká se na povolení Státního ústavu pro kontrolu léčiv pro klinické testy
● Významných výzkumných výsledků dosáhl vědecký tým při vývoji artificiálních chrupavek nebo kostí, kde se využívá biodegradabilních nosičů na bázi nano a mikro vlákených materiálů a v kombinaci s hydroxyapatitem.
●Využití tubulární útvary z nanovlákenných textilií při léčení zeleného zákalu
● Jiné materiály – nervy míšní tkáně
TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ NA TUL
Nový předmět Tkáňové inženýrství otevřela Fakulta textilní TUL na katedře netkaných textilií a nanovlákenných materiálů v akademickém roce 2013/14. Moderně vybavená laboratoř umožňuje v rámci předmětu propojit na FT TUL tradiční vývoj nanovlákenných materiálů určených pro biologické aplikace s výukou. Studenti při výuce používají buněčné kultury a zkoumají interakce mezi těmito buněčnými systémy a vyvíjenými materiály
„Jsme si vědomi toho, že běžíme na dlouhé trati. Bude trvat poměrně dlouho, než se vyvinutá zařízení a nové materiály dostanou vzhledem ke složitému ověřování do praxe. V laboratorních podmínkách už ale můžeme výsledky našeho bádání přenášet do výuky a studenti s nimi mohou pracovat. Získají tak velký náskok na poli teoretickém i praktickém,“ řekl profesor David Lukáš.
Technická univerzita v Liberci je také členem nanotechnologického klastru Nanoproges, který se zaměřuje na vývoj technologií pro tkáňové inženýrství.
