Co stojí za lidskými tkáněmi z laboratoře? Kryogel a kmenové buňky v bioreaktoru
19. března 2021Nad vytvořením lidské tkáně v laboratoři hloubají vědci už dlouhá desetiletí. Vyléčit dosud neléčitelné, zmírnit chronické bolesti nebo obnovit ztracené pohybové nebo smyslové funkce je vysněný cíl, který pohání veškeré bádání vpřed. Výroba umělých tkání, není však zdaleka tak snadná, jak se zdá. Kromě dalších proměnných celý proces sabotují i samotné buňky, které se občas nechovají tak, jak by se dalo očekávat. Vědecký tým z Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně v čele s profesorem Humpolíčkem se jim ale postavil čelem.
V roce 2017 tak před nimi stál nelehký úkol. Ale motivace dostat se blíže ke svému snu, tedy vytvořit materiál, ve kterém se buňky budou chovat tak, jak se jim řekne, byla silnější. První důležitou etapu této cesty urazili díky Grantové agentuře České republiky, která výzkum finančně podpořila. Hrát si s kmenovými buňkami a vyvíjet nové biomateriály totiž není záležitost, která by se obešla bez peněz a znalostí.
Výzkumnou skupinu „Biomateriály“ ze zlínského Centra polymerních systémů doplnil tým doktora Stejskala z oddělení vodivých polymerů z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd České republiky. „Právě jedna z prvních výzev bylo vytvořit tým, ve kterém si budeme rozumět nejenom profesně, ale také lidsky. Potřebovali jsme dát dohromady chemiky, materiálové inženýry a buněčné biology. Odbornost je sice důležitá, nicméně každá tato specializace je natolik specifická, že při spolupráci v týmu se bez té lidské stránky zkrátka neobejdete,“ shrnuje první pokořenou překážku vedoucí zlínské sekce, profesor Humpolíček. Tým již zkušených odborníků navíc doplnili také studenti oboru Biomateriály a kosmetika Fakulty technologické UTB. Dostala se jim tak příležitost, o kterou jen tak někdo při studiu nezavadí.
A teď už k samotné vědě…
Když chcete, aby se živé buňky spřátelily se synteticky vyrobenými materiály, je ideální, aby materiály co nejvíce napodobovaly prostředí v těle a byly biokompatibilní, tedy nevyvolávaly žádnou negativní reakci. To si žádá splnění řady podmínek, bez kterých si žádný biomateriál ani neškrtne.
Jedna z důležitých funkcí řady lidských tkání je schopnost vzájemné komunikace buněk pomocí elektrického pole. Proto některé buněčné typy preferují materiály, které jsou elektricky vodivé. To může naznačovat, že by stačilo použít třeba kovy, které vynikají svou vodivostí. Ta je ale založena na toku elektronů, zatímco buňky a tkáně využívají k elektrické komunikaci ionty. Navíc kov většinu tkání ani nepřipomíná a svými dalšími vlastnostmi je jim značně vzdálený.
Tady se vytváří prostor pro elektricky vodivé polymery, jejichž potenciál na poli biomedicíny známe už řadu let. Vědci se však stále potýkají s problémem, jak naučit syntetické materiály chovat se tak, jako přirozené tkáně. Zkušenosti zapojených vědců se v tento moment náramně hodily. „Ve Zlíně se vodivým polymerům věnujeme od roku 2010 a naši kolegové z Akademie věd s nimi pracují ještě mnohem déle. Věděli jsme, jak různorodé vodivé polymery jsou, a jak obrovský potenciál se v nich skrývá. Proto jsme se rozhodli projekt postavit na našich zkušenostech a posunout své znalosti směrem k přípravě materiálů, které budou kombinovat elektrickou vodivost s vysokou biokompatibilitou,“ dodává profesor Humpolíček.
Je libo kryogel nebo hydrogel?
Když jde o zdraví, tak nelze dělat kompromisy. Nároky na hledaný vodivý a biokompatibilní materiál jsou vysoké a přidávají se k nim také další: materiál musí být robustní, aby bylo možné jej uchopit do ruky a snadno zpracovat do potřebných tvarů. Vodivé polymery se totiž tradičně připravovaly například v podobě tenkých filmů o síle jen několika set nanometrů nebo třeba jako koloidní disperze (což je roztok, ve kterém jsou rozptýleny částice jiného materiálu.) O pořádné hmatatelnosti a tvarovatelnosti tedy nemohla být řeč.
A tak světlo světa spatřil speciální kryogel, který vzniká za teplot hluboko pod nulou. Na dotek i pohled balancuje na hranici plastelíny a slizu. Z vědeckého hlediska je však skvělý! „Je dostatečně elektricky vodivý, elastický a porézní, tím se dostává velmi blízko k vlastnostem žádaným srdečními nebo svalovými buňkami. Hledali jsme i další možnosti přípravy podobných elektricky vodivých materiálů. Právě kombinací koloidních disperzí vodivých polymerů s biopolymery jako je například kolagen, hyaluronan sodný nebo laminin vznikl speciální hydrogel. Obrovskou výhodou je, že takový materiál v sobě kombinuje elektricky vodivé materiály a materiály, které se v našem těle běžně vyskytují a poskytují buňkám nejen oporu, ale i řadu signálů,“ popisuje další zdolanou výzvu Petr Humpolíček.
Stačí přidat buňky
K dalšímu bádání a testování už „stačí“ kryogel či hydrogel naočkovat buňkami a zjistit, jak se jim společně daří v různých situacích. K tomu slouží bioreaktory a speciální kultivační komory vytvořené ve zlínském Centru polymerních systémů. Díky nim mohou vědci buňkám simulovat různá prostředí, sledovat jejich reakce a měřit míru biokompatibility s daným materiálem.
A kde se vůbec takové buňky vezmou? „V tomto výzkumu samozřejmě pracujeme s živými buňkami. Jen tak můžeme zajistit, že výsledky budou přesné a relevantní pro biomedicínské použití. Pracujeme s řadou buněčných typů, včetně speciálních modelů umožňujících připravit z kmenových buněk srdeční či nervové buňky. Na přípravě vhodných modelů spolupracujeme dlouhodobě s týmem dr. Jiřího Pacherníka z Přírodovědecké fakulty MUNI, se kterým máme na toto téma společný projekt na toto téma,“ osvětluje profesor Humpolíček.
A co bude dál?
V průběhu tří let načerpali vědci z Univerzity Tomáše Bati i z Akademie věd mnoho nových informací, které posunuly vědění v oblasti biomimetických vodivých polymerů zase dále. Cílem nebylo přijít s hotovým produktem, ale rozšířit znalosti a zkušenosti s vodivými biokompatibilními polymery. Díky tomuto základu už nyní pracují na několika materiálech, které se mohou dostat do praxe. Potenciál takových materiálů je obrovský a u pomoci s opravou srdečních tkání po infarktu pouze začíná.