Innowacje nanotechnologiczne w służbie medycyny

Dr Tomasz Urbaniak z Katedry i Zakładu Chemii Fizycznej i Biofizyki zajmuje się wytwarzaniem polimerowych mikrosfer typu rdzeń-powłoka z inkorporowanymi substancjami leczniczymi z grupy bisfosfonianów. Strategia ta pozwolić ma na selektywne dostarczenie substancji leczniczej do grupy makrofagów powiązanych ze zmianami zwłóknieniowymi płuc.
Monika Szymańska-Antosiak

Dr Tomasz Urbaniak
Dr Tomasz Urbaniak (fot. Tomasz Walów)

W centrum moich zainteresowań badawczych znajdują się polimerowe nośniki leku i implanty, ze szczególnym uwzględnieniem fizykochemii ich powierzchni. Wprowadzając do ludzkiego organizmu ciała obce takie jak mikroskopijne cząstki uwalniające substancje leczniczą czy makroskopowe obiekty stanowiące rusztowania dla regenerujących się tkanek, obserwujemy szereg reakcji organizmu – mówi dr Tomasz Urbaniak. Rodzaj powierzchniowych grup chemicznych, ich wypadkowy ładunek oraz orientacja przestrzenna molekuł mających kontakt ze środowiskiem zewnętrznym determinują odpowiedź organizmu na poziomie komórkowym. Istotny element stanowi również adsorpcja składników osocza na polimerowych powierzchniach, która ma wpływ na dalsze losy wprowadzonego urządzenia biomedycznego.

W ramach badań prowadzonych obecnie w Katedrze i Zakładzie Chemii Fizycznej i Biofizyki dr Urbaniak zajmuje się powlekaniem polimerowych powierzchni nanowarstwami typu layer-by-layer. Powłoczki te otrzymuje się poprzez ekspozycję dowolnej posiadającej ładunek powierzchni na rozpuszczalne w wodzie polimery o licznych ugrupowaniach posiadających ładunek -polielektrolity. Naprzemienne odkładanie i samoorganizacja warstw o odmiennych charakterze – dodatnim lub ujemnym – możliwe jest dzięki takim zjawiskom jak oddziaływania elektrostatyczne, hydrofobowe oraz formowaniu wiązań wodorowych. Struktury takie mogą być zbudowane z kilku lub nawet kilkuset warstw polielektrolitów tworząc powłokę o nanometrycznej grubości. Takie wielowarstwy mogą między innymi służyć jako systemy uwalniające bioaktywne proteiny z powierzchni urządzenia oraz podnosić biozgodność i redukować powierzchniową adsorpcję składników osocza.

W chwili obecnej naukowiec rozwija dwa projekty powiązane z opisaną metodologią. Pierwszy z nich realizowany w ramach grantu NCN Preludium skupia się na otrzymywaniu mikroskopijnych sfer o strukturze rdzeń-powłoka. Poliestrowe biodegradowalne rdzenie z zainkorporowaną substancją leczniczą powlekane są otoczkami layer-by-layer, które nadając powierzchniowy ładunek zwiększają stabilność zawiesiny cząstek oraz mogą opóźniać moment uwolnienia substancji leczniczej z rdzenia. Ponadto, grupy chemiczne obecne w powłoczce wykorzystuję do powierzchniowej immobilizacji przeciwciał pozwalających na celowane dostarczanie nośnika do patologicznie zmienionych komórek. Przeprowadzone w ostatnich latach badania nad subpopulacjami komórek układu odpornościowego - makrofagów - pozwoliły wyłonić podtypy komórek pełniące istotną rolę w etiologii szeregu schorzeń, w tym idiopatycznego zwłóknienia płuc. Opisane nośniki typu rdzeń powłoka, dzięki obecnym na powierzchni selektywnym przeciwciałom, potencjalnie mogą dostarczać zamkniętą w rdzeniu substancję leczniczą do subpopulacji komórek odpowiedzialnych za zmiany zwłóknieniowe oszczędzając komórki pełniące istotne funkcje fizjologiczne. Aby potwierdzić oczekiwane, trudne do zaobserwowania, powierzchniowe modyfikacje rdzeni, poddawane są one szeregowi badań. Ich średnica oraz ładunek elektrokinetyczny analizowane są na podstawie pomiarów dynamicznego rozpraszania światła, morfologię nośników ocenić można analizując mikrografy skaningowej mikroskopii elektronowej, obecność powierzchniowych grup kwasowych potwierdzamy metodami miareczkowania konduktometrycznego i potencjometrycznego, zaś powierzchniową immobilizację przeciwciał badamy dokonując pomiaru fluorescencji pochodzącej od przeciwciał komplementarnych. Wstępne obiecujące wyniki badań in vitro pokazały, że już obecność samej otoczki oraz jej skład mają istotny wpływ na intensywność wychwytu nośników przez makrofagi płucne.

Interdyscyplinarność w służbie medycyny
Drugi z realizowanych projektów dr Tomasza Urbaniak skupia się na wykorzystaniu otoczek „layer-by-layer”, jako rezerwuarów czynników wzrostu uwalnianych z powierzchni biodegradowalnych pianek. Te syntetyzowane w Katedrze Inżynierii i Technologii Polimerów Politechniki Wrocławskiej mikroporowate struktury stanowić mogą rusztowania dla regenerujących się tkanek. Komórki migrując do wnętrza porów implantowanego rusztowania pozwalają na odtworzenie funkcjonalnej tkanki zastępując polimer ulegający powolnej degradacji. Ze względu na swoją elastyczność, implanty te mogą mieć zastosowanie w wypełnianiu ubytków o nieregularnym pokroju, na przykład w tkance kostnej. Aby podnieść atrakcyjność porowatych struktur dla komórek odpowiedzialnych za regenerację tkanki kostnej, wnętrze porów pokrywamy powłoczkami layer-by-layer w których skład wchodzą proteiny stymulujące osteogenezę. Ponadto, stosując biopolimery takie jak kwas hialuronowy lub heparyna jesteśmy w stanie dodatkowo podnieść właściwości osteoinduktywne pianek. Ze względu na odmienny względem opisanych powyżej mikrosfer charakter modyfikowanej powierzchni, metody wykorzystywane do oceny możliwości depozycji wielowarstw są odpowiednio inne – wyjaśnia. We współpracy z Instytutem Chemii Makromolekularnej Czeskiej Akademii Nauk możliwe będzie wykonanie szeregu pomiarów takich jak elipsometria, powierzchniowy rezonans plazmonowy czy mikroskopia sił atomowych, które pozwolą ocenić wydajność odkładania warstw na powierzchni pianek. Kluczowym elementem tego projektu jest analiza profilu uwalniania bioaktywnej proteiny z modyfikowanych pianek oraz przeprowadzenie odpowiednich badań in vitro które pozwolą ocenić wpływ modyfikacji na migrację osteoblastów do wnętrza implantów.

Dwa opisane przykłady zastosowania techniki layer-by-layer nie wyczerpują arsenału jej potencjalnych aplikacji w naukach farmaceutycznych i biomedycznych. Uniwersalność tej metody objawia się w różnorodności zastosowań oraz możliwości depozycji na powierzchniach o różnej fizykochemii i morfologii. Dalszy rozwój zarówno praktycznych aspektów związanych z odkładaniem warstw jak również głębszy wgląd w molekularne mechanizmy odpowiadające za samoorganizację takich struktur stanowią obiecujący kierunek badań mogący prowadzić do opracowania wielu interesujących rozwiązań - kończy dr Urbaniak.