Fot. Zespół badawczy projektu BoneReg (od lewej): dr hab. inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur, dr inż. Paweł Ruśkowski, inż. Aleksandra Bandzerewicz, Joanna Howis, mgr inż. Anna Kołakowska, mgr inż. Krzysztof Kolankowski

– Każdy ortopeda, który zakłada implant, myśli o tym, by zabieg był możliwie najkrótszy, najmniej inwazyjny i dodatkowo chciałby korzystać z narzędzi i procedur, które już doskonale zna. Takie założenia przyświecały również nam – wyjaśnia dr hab. inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur z Wydziału Chemicznego PW, kierownik projektu BoneReg. Sam temat projektu, czyli regeneracja kości gąbczastej, został zlecony właśnie przez lekarzy. Podsunął go ortopeda prof. Krzysztof Ficek, z którym naukowcy PW współpracują.

Obecnie ubytki kości gąbczastej zastępowane są dwiema metodami, które nie zawsze przynoszą dobre rezultaty i doprowadzają do regeneracji tkanki. Pierwsza z nich – przeszczep „mozaiki” tkankowej pobranej od osób zmarłych – obarczona jest ryzkiem przeniesienia choroby, którą miał dawca. Materiał może też nie być dobrej jakości, np. w przypadku pobrania od starszej osoby, której kości nie były już w dobrym stanie. Drugą metodą jest podanie preparatu złożonego głównie z hydroksyapatytu. To minerał będący nieorganicznym składnikiem zębów i kości, stanowiący rusztowanie odpowiedzialne za ich wytrzymałość. Podaje się go w miejscach, gdzie tkanka jest osłabiona bądź zanika. Jednak jak wskazują lekarze, to rozwiązanie też nie zawsze się sprawdza.

Bombowy implant

Naukowcy z Politechniki Warszawskiej zaproponowali aż dwa wynalazki odpowiadające na potrzeby branży medycznej. Pierwszy, nad którym prace rozpoczęły się kilka lat temu, powstał z myślą o konkretnym zabiegu – rekonstrukcji więzadła krzyżowego w kolanie. W jego trakcie nawierca się kanały kostne, czyli uszkadza kość tak, aby mieć o co zaczepić nowe, wprowadzane do organizmu więzadło.

Fot. Implant polilaktydowy nasączony osoczem, źródło: Monika Budnicka

Kanały kostne wypełniłby implant stworzony przez zespół z Katedry Chemii i Technologii Polimerów. Przypomina gąbkę i jest bardzo lekki, o czym decyduje jego porowatość – w materiale znajduje się bardzo dużo pustych, wzajemnie połączonych kanalików, służących jako „rusztowanie” dla komórek odbudowującej się kości. Dzięki temu, że materiał jest elastyczny, można na nim osadzić czynniki wzrostu, pomagające w naturalnej odbudowie kości. Takim czynnikiem jest osocze bogatopłytkowe, pobrane od pacjenta, któremu implant jest zakładany, co zapewnia całkowitą zgodność tkankową. – Pomyśleliśmy, żeby implant zrobić na bazie polimeru biodegradowalnego, który stopniowo by w organizmie zanikał – mówi dr hab. inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur. – Natomiast dzięki dostarczeniu „bomby” czynników proregeneracyjnych kość byłaby w stanie się naturalnie odbudować – dodaje.

Fot. Dr hab. inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur z implantami kości gąbczastej

Dzięki elastyczności implant może być dowolnie przycinany przez chirurga na sali operacyjnej, czym odróżnia się od tych drukowanych metodą druku 3D, które są bardzo sztywne i śliskie. Nie można ich dosztukować ani rozciągnąć. Wydrukowanie takiego implantu trwa poza tym bardzo długo i również dlatego nie ma możliwości dopasowania jego rozmiaru w trakcie zabiegu.  

Fot. Wyróżniki rozwiązania opracowanego przez naukowców z PW, źródło: BoneReg/Facebook

Kostne (za)mieszanie

W międzyczasie pojawiły się prace pokazujące, że dużo większym problemem, z którym borykają się ortopedzi, jest leczenie ubytków wywołanych osteoporozą. Choroba dotyka coraz więcej kobiet i to w młodym wieku. Szacuje się, że cierpi na nią 2,7 mln Polek. – Wpadliśmy na pomysł drugiego implantu, troszeczkę podobnego do stosowanego komercyjnie wypełnienia z  hydroksyapatytu. Wypełnia się nim miejsca, w których kość jest o obniżonej gęstości. Natomiast nasz implant będzie dwuskładnikowy, a mieszanie będzie zachodziło we wnętrzu kości. To jest innowacyjne rozwiązanie – tłumaczy dr hab. inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur.

Zabieg nie będzie inwazyjny, ponieważ nie ma potrzeby otwierania kości. Oba składniki, zawierające komórki macierzyste pobrane od pacjenta, będą podawane za pomocą cienkiej igły, najczęściej przez powierzchnię stawową. We wnętrzu kości, w miejscu gdzie pojawia się przestrzeń o małej gęstości albo komórek w ogóle nie ma, nastąpi wymieszanie i stworzy się wypełnienie. Dzięki wzmocnieniu kość w tym miejscu się nie złamie. Dodatkowo komórki macierzyste, które zostaną dostarczone, spowodują bardzo szybką naturalną odbudowę kości. Co więcej, po kilkunastu miesiącach, kiedy już komórki macierzyste będą odpowiednio zróżnicowane, stanowiąc właściwe komórki kostne pacjenta, wypełnienie się rozłoży i usunie z organizmu. Już udało się wyselekcjonować kilku kandydatów na oba składniki implantu. – W tej chwili dopracowujemy oba implanty, aby były możliwie nietoksyczne dla komórek i jak najlepiej pełniły swoje funkcje po wszczepieniu. W lipcu przyszłego roku planujemy rozpocząć badania na zwierzętach – zapowiada Gadomska-Gajadhur.

W badaniach pomoże… czarna owca!

Jako model naukowcy wybrali owcę wrzosówkę – nietypową dla tego gatunku, bo czarną. Chodziło przede wszystkim o dobranie zwierzęcia, które dosyć wolno rośnie, podobnie jak człowiek. – Owca wrzosówka waży między 50 a 60 kg – to bardzo zbliżona masa do wagi kobiety. Nacisk, jaki wywiera jej ciało na stawy, zwłaszcza przednie kończyny, do których chcemy zakładać implant, jest wprost proporcjonalny do człowieka. Przez pół roku zwierzę przybiera na wadze kilka kilogramów, więc myślę, że ten model najlepiej pokaże, jak implant będzie się zachowywał w organizmie – uważa ekspertka. W przypadku pozytywnych wyników zespół ma nadzieję na realizację badań klinicznych, z udziałem ludzi.

Nie tylko medycyna

Ponadto naukowcy myślą o zastosowaniu implantów w weterynarii, ponieważ u zwierząt różnego rodzaju urazy mechaniczne kości są także dosyć powszechne. – Ulegają im konie, które bardzo szybko biegają lub skaczą przez przeszkody. Najczęściej kończy się to tym, że nie są w stanie wrócić do formy, dlatego potrzebny jest system wgajania więzadła. Również u bardzo dużych psów ten problem się pojawia, zwłaszcza w wieku starszym – opisuje badaczka. Weterynarze z różnych ośrodków, z którymi rozmawiają naukowcy, widzą potencjał w opracowanych rozwiązaniach.

Kropla drąży skałę

Osiągnięcia zespołu już są doceniane przez środowisko naukowe i biznesowe. W ostatnich tygodniach naukowcy mogli cieszyć się ze znaczących wyróżnień. Oba wynalazki zostały nagrodzone medalami podczas Międzynarodowej Warszawskiej Wystawy Wynalazków IWIS 2021: bioaktywny substytut kości gąbczastej do regeneracji więzadła krzyżowego – srebrnym, a dwuskładnikowy implant kostny do leczenia osteoporozy – złotym. Zespół został również laureatem nagrody „Symbol Synergii Nauki i Biznesu 2021”. – Było to dla nas zaskoczenie, ponieważ jako mały, bo zaledwie kilkuosobowy zespół, znaleźliśmy się w gronie znamienitych laureatów – firm zatrudniających setki lub tysiące pracowników – cieszy się dr hab. inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur. – To też pokazuje, że warto pracować, nie poddawać się. Kropla drąży skałę. Kilkukrotnie aplikowaliśmy o finansowanie i udało się w przypadku programu „Lider XI” Narodowego Centrum Badań  i Rozwoju. Nie ukrywam, że jest to tylko część badań, które chcielibyśmy zrealizować, ale myślimy już o kolejnych projektach – zapowiada.

Fot. Wręczenie nagrody „Symbol Synergii Nauki i Biznesu 2021”, źródło: Tomasz Piekorz

Co ważne, cena implantów będzie niższa niż koszt obecnie stosowanych rozwiązań. Przy kwocie 600-800 zł w przypadku wykorzystania „mozaiki” tkankowej, koszt bioaktywnego substytutu kości gąbczastej powinien wynieść ok. 200 zł. Dwuskładnikowe rozwiązanie również ma być tańsze niż preparat z hydroksyapatytem. Implantami zespołu z Politechniki Warszawskiej zainteresowanych jest kilka firm, zarówno polskich, jak i zagranicznych. Rozmowy trwają.

W projekcie BoneReg, czyli „Porowate, biodegradowalne implanty do regeneracji kości gąbczastej”, finansowanym w ramach programu „Lider XI” Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, uczestniczą: dr hab. inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur – kierownik projektu, dr inż. Paweł Ruśkowski, mgr inż. Anna Kołakowska, mgr inż. Krzysztof Kolankowski, inż. Aleksandra Bandzerewicz oraz Joanna Howis, a także liczne grono studentów.

Politechnika Warszawska