Kamil Maciąg: Czym właściwie jest kompozyt, dlaczego są wiązane z nim tak duże nadzieje?

Prof. Grażyna Ginalska:  Jest to dwufazowy, mikro- i makroporowaty kompozyt o niektórych właściwościach zbliżonych do naturalnych kości człowieka. Został on wytworzony na bazie granulatu hydroksyapatytowego oraz nietoksycznego cukrowcowego polimeru organicznego. Hydroksyapatyt będący głównym składnikiem biomateriału cechuje wysoka biokompatybilność, nieimmunogenność i nietoksyczność. Kompozyt dzięki swojemu składowi charakteryzuje się sprężystością, podatnością na formowanie, łatwo się wygina oraz dopasowuje się do rozmiarów ubytku. Swoimi parametrami mechanicznymi przypomina kość gąbczastą, jest nietoksyczny wobec ludzkich osteoblastów oraz niezmienny w procesie sterylizacji np. tlenkiem etylenu lub metodą sterylizacji parowej, czy radiacyjnej. Szybko chłonie roztwory wodne - krew, buforowany roztwór soli -i dzięki temu może również pełnić rolę nośnika leków np. antybiotyków, białkowych czynników wzrostu, przyczyniając się do ochrony przeciwbakteryjnej miejsca implantacji lub stymulacji procesu gojenia. Nasączony tworzy formę elastyczną i plastyczną. Można więc go kroić i dopasowywać do kształtu ubytku, który chcielibyśmy wypełnić. Wykazuje tzw. poręczność chirurgiczną, co znaczy, że w czasie zabiegu łatwo można go wprowadzić do organizmu. Jest to jego olbrzymia zaleta, wyróżniająca go spośród dostępnych na rynku materiałów kościozastępczych opartych na ceramice hydroksyapatytowej. Zwykle wprowadza się proszki, granulaty czy kształtki kostne, które niekoniecznie pasują do miejsca docelowego. W pilotażowych badaniach ortopedycznych związanych z implantacją kompozytu do kości podudzia u królików kompozyt wykazywał wysoką poręczność chirurgiczną bez ryzyka wydzielania się i przesuwania z miejsca implantacji i częściowo adaptował się do miejsca implantacji. Właśnie dlatego jest taki rewolucyjny.

Jak duże fragmenty możemy rekonstruować?

Ponieważ nasz materiał pod względem właściwości mechanicznych zbliżony jest do kości gąbczastej, więc w zasadzie nie może być stosowany do dużych ubytków i w miejscach gdzie są duże obciążenia mechaniczne. Jednak w przypadku małych, drobnych ubytków, czy też jako dopełnienia do implantów tytanowych może być wykorzystany z powodzeniem, przynajmniej taką mam nadzieję. W badaniach na zwierzętach efekty są zadowalające, po 6 miesiącach powstają nowe komórki kostne,  materiał się częściowo degraduje w części polimerowej tworząc strukturę porowatą i w te miejsca wchodzą osteoblasty i namnażają się. Powstaje kość grubowłóknista, blaszki kostne, pojawiają się osteony , więc przypuszczamy, że wkrótce po tym pojawi się unaczynienie implantu.  Nie jest to szybka regeneracja kości, ale pół roku jest to zadowalający okres czasu, w przypadku materiału kościozastępczego. Wstępne obserwacje kliniczne wykazały pozytywne wyniki leczenia przetok ustno-nosowych oraz ubytków w postaci kieszeni kostnych u psów po zastosowaniu biomateriału kościozastępczego.

Gdzie może znaleźć zastosowanie?

Biomateriał może być wykorzystany jako wypełniacz ubytków kostnych w obrębie kości gąbczastych i kości twarzoczaszki. Rozważane jest również potencjalne zastosowanie kompozytu jako wypełniacza ubytków tkanki chrzęstnej. Materiał mógłby być stosowany w chirurgii urazowej np. w urazach stopy czy dłoni. Przypuszczalnie będzie można wypełniać drobne  ubytki w szczęce czy w żuchwie, stosować w różnych zabiegach laryngologiczno-stomatologicznych, drobnych zabiegach ortopedycznych a może też znajdzie zastosowanie w chirurgii plastycznej. Natomiast nie da się go wykorzystać do uzupełniania dużych ubytków, co wynika z jego właściwości mechanicznych.

Czy substraty wykorzystywane do produkcji materiału kościozastępczego są trudne do otrzymania?

Podstawowy składnik kompozytu - ceramiczny hydroksyapatyt, jest wykonywany syntetycznie w laboratorium.  My współpracujemy badawczo z zespołem naukowym prof. Anny Ślósarczyk z Katedry Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Zespół ten zajmuje się wytwarzaniem ceramiki od wielu lat i  ma opatentowane sposoby produkcji porowatego granulatu hydroksyapatytowego.  Dzięki tej współpracy mogliśmy zastosować ten składnik w naszym wynalazku. Drugi substrat, czyli polimer cukrowy jest dostępnym na rynku i można go bez większego problemu kupić. Oba składniki są łączone w odpowiednich warunkach i w wyniku reakcji tworzy się materiał kompozytowy, zwany popularnie kościozastępczym.

Ile czasu potrzebujemy, aby z substratów, uzyskać gotowy materiał do wprowadzenia do pacjenta?

Wszystko zależy od dostępności substratów  i  ilości kompozytu do wyprodukowania. Samo wytworzenie kompozytu nie jest rzeczywiście pracochłonne i szybko możemy go wykonać. Jednak  potem koniecznie musimy go wysuszyć i wysterylizować. Czas przygotowania zależy też od tego, jaką metodę sterylizacji wybierzemy.  Jeżeli tlenkiem etylenu czyli tzw. metodą gazową, to musimy trochę poczekać na odgazowanie produktu, natomiast metodą radiacyjną trwa to krótko. Po tych zabiegach materiał możemy użyć w zabiegach implantacyjnych.

Od kiedy prowadzone są badania nad stworzeniem „sztucznej kości”?

Pracę rozpoczęliśmy w 2004 roku. Wtedy powstał interdyscyplinarny zespół badawczy złożony z naukowców z AGH (czyli Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie przyp. red.) i Uniwersytetu Medycznego. Natomiast w 2009 roku wiedzieliśmy, że udało nam się wytworzyć materiał o korzystnych właściwościach, w 2010 roku mieliśmy 100% pewności, że jest to biomateriał innowacyjny, wyróżniający się wśród innych dostępnych materiałów kościozastępczych. Minęło więc kilka lat zanim wytworzyliśmy taki materiał. W tym momencie wiemy, że sprawdza się w 100% w chirurgii zwierzęcej -  w zakresie stomatologii u psów leczonych przez dr Izabelę Polkowską w Klinice Chirurgii Małych Zwierząt Wydziału Medycyny Weterynaryjnej Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie.

Pojawiły się jakieś przeciwności w drodze do celu?

Brak środków finansowych, jak to zwykle w nauce polskiej. Tutaj rzeczywiście potrzebne są duże pieniądze, szczególnie jeżeli jest to wynalazek biotechnologiczny. Nakłady finansowe  są niezbędne zarówno na badania in vitro ale również na badania in vivo. Badania kliniczne na ludziach wymagają ogromnych pieniędzy i na taki wydatek może sobie pozwolić tylko firma, która posiada ogromny kapitał.

Kompozyt wkrótce będzie w fazie badań klinicznych na ludziach. Co jeszcze go czeka zanim trafi do powszechnego użytku?

Takich badań jeszcze nie prowadzimy. Tak jak powiedziałam wcześniej, by przeprowadzić badania kliniczne trzeba dysponować dużym kapitałem, a my go nie mamy.  Aby materiał trafił do powszechnego użytku, musi przejść pozytywnie badania kliniczne. Wykazaliśmy w badaniach in vitro, że materiał jest nietoksyczny wobec komórek kostnych, ale zgodnie z przepisami materiał musi być przebadany klinicznie. Nie zawsze jest tak, że materiał wszczepialny przebadany in vitro i oceniony pozytywnie, tak samo zachowa się w organizmie pacjentów. W związku z tym będziemy się starać o większe pieniądze, bo mamy jeszcze ogromne plany badawcze. Między innymi musimy przeprowadzić szereg badań, żeby zdecydować czy faktycznie będzie możliwe wprowadzenie kompozytu na rynek. Kolejnym etapem jest droga certyfikowania materiału, czyli po przeprowadzeniu wszystkich badań, zakładając optymistycznie, że będą pomyślne, należy złożyć odpowiednie dokumenty do urzędu o certyfikowanie produktu jako materiału medycznego. Chcę zaznaczyć, że ta droga powinna należeć do inwestora decydującego się na wdrożenie biomateriału do produkcji. Naukowcy powinni tę ścieżkę zostawić fachowcom.

Jakie jest prawdopodobieństwo odrzucenia kompozytu?

Istnieje pewne prawdopodobieństwo, ale niestety nie jestem wstanie powiedzieć jak duże.  System immunologiczny człowieka jest  bardzo skomplikowany. Pomimo, że  polimer cukrowy i  fosforan wapnia są dopuszczone do kontaktu z organizmem, to nie wiemy, czy kompozyt z nich utworzony nie wpłynie na reakcje zapalne w miejscu implantacji.  U zwierząt, po wszczepieniu  do kości nie zauważa się stanów zapalnych, czy też reakcji odrzucania implantów, materiał się wgaja i tworzy się kość własna pacjenta. Tutaj sprawdza się na 100%.  Wydaje się, że materiał jest biozgodny, ale by mieć pewność musimy poczekać na wyniki badań klinicznych u człowieka, one wszystko wyjaśnią.

Czy dużym problemem będzie przeniesienie produkcji kompozytu ze skali mikro do makro?

Nie jestem technologiem, więc trudno mi powiedzieć coś więcej, ale myślę, że trudno nie będzie. Technologia syntezy hydroksyapatytu może być opracowana przez zespół z AGH w Krakowie, natomiast technologię wytworzenia kompozytu może opracować fachowiec. Mamy w Polsce odpowiednich technologów, którzy na pewno sobie z tym świetnie poradzą. To jest tylko szczegół w porównaniu z tym, czy materiał można stosować w leczeniu człowieka, czy nie. Gdy już się to wie, to opracowanie na skalę technologiczną metody otrzymywania kompozytu jest „pestką”. Nie będzie stanowiło  problemu.

W jaki sposób jest chronione Pani odkrycie przed potencjalną kradzieżą własności intelektualnej?

Wszystkie nasze wynalazki zostały patentowane. Na dwa wynalazki mamy patenty krajowe. Jeden główny dotyczący wytworzenia kompozytu kościozastępczego zgłosiliśmy również do Europejskiego Urzędu Patentowego (EPO) i podlega on jeszcze recenzji. Zobaczymy, czy dostaniemy ochronę europejską.

Kompozyt to nie jedyne osiągnięcie Pani Zakładu..

Generalnie Zakład zajmuje się modyfikacją chemiczną i biologiczną materiałów wszczepiennych wykorzystywanych w chirurgii naczyniowej i urologicznej w celu ich ochrony przeciwbakteryjnej. Właśnie to jest nasz wiodący nurt badawczy. Podjęta w Katedrze tematyka jest bardzo aktualna, gdyż zastosowanie biomateriałów implantacyjnych w technikach chirurgicznych zawsze związane jest z ryzykiem infekcji bakteryjnej a w przypadku zasiedlenia powierzchni implantów przez drobnoustroje może dojść do ogólnoustrojowej infekcji a nawet śmierci pacjenta. Praca nad  modyfikacją powierzchni materiałów wszczepialnych zaowocowała przyznaniem przez Urząd Patentowy RP czterech patentów. Dotyczyły one modyfikacji cewników urologicznych i protez naczyniowych, szczególnie tych, które są uszczelnione białkiem: kolagenem, albuminą i żelatyną, one  są narażone na zasiedlanie przez bakterie. Modyfikowaliśmy również nici chirurgiczne.  Interdysplinarna zespołowa praca badawcza dotycząca modyfikacji chirurgicznych nici szewnych zdobyła w 2008 r. I nagrodę na etapie krajowym i została nominowana do etapu międzynarodowego w Światowym Konkursie „The Future of Sutures”. Nie udało nam się zdobyć nagrody na tym wyższym etapie, ale badania prowadzimy dalej i mamy nadzieję, że w temacie biomateriałów jeszcze uda nam się więcej osiągnąć.

Red. Kamil Maciąg