Fot. Dr hab. inż. Marcin Kozanecki, prof. PŁ w laboratorium, źródło: Jacek Szabela

Choroba zwyrodnieniowa stawów to jedna z najczęstszych bolesnych dolegliwości, z którą wcześniej czy później, każdy spotyka się w swoim życiu. Jak naukowcy – nanochemicy – mogą pomóc w uporaniu się z nią?

To prawda, często wydaje nam się, że to choroba, która dotyka tylko ludzi narażonych na urazy, np. sportowców, których stawy poddawane są bardzo dużym przeciążeniom – koszykarzy, siatkarzy, tenisistów, skoczków narciarskich. To schorzenie dotyczy jednak ponad 20% całej populacji. Nie tylko ludzkiej. Podobno słonie tyją przez całe życie. W sędziwym wieku ich kolana nie są zdolne do przenoszenia tak dużej masy, co jest przyczyną wielu zgonów wśród tego gatunku. Czy podobny, choć może nie tak tragiczny scenariusz, nie dotyczy również nas – ludzi? Z wiekiem postępujące w naszym organizmie zmiany fizjologiczne i kumulujące się skutki obciążeń mechanicznych, o których wspomniałem, powodują degenerację stawów – szczególnie dotyczy to bioder i kolan. Oczywiście już dziś potrafimy złagodzić skutki choroby zwyrodnieniowej stawów, uzupełniając „smar” w naszych kolanach. Wstrzykiwanie odpowiednich substancji, np. kwasu hialuronowego czy kolagenu, to obecne standardy w leczeniu choroby zwyrodnieniowej. Niestety związki te przynoszą ulgę tylko okresowo i są w naturalny sposób usuwane z przestrzeni stawowej. Zazwyczaj kończy się to zabiegiem chirurgicznym i implantacją stawu. My mamy inny pomysł.

Na czym polega innowacyjna metoda leczenia opracowywana przez Pana zespół naukowy?

Na wstępie chciałbym podkreślić, że projekt jest realizowany przez kilka grup badawczych, w tym grupę prof. Joanny Pietrasik z Instytutu Technologii Polimerów i Barwników, gdzie prowadzone są prace syntetyczne. Bardzo blisko współpracujemy ze Szpitalem MSWiA z Warszawy, z wybitnym chirurgiem prof. Ireneuszem Kotelą, który dostarcza nam materiałów do badań, ale przede wszystkim wspiera merytorycznie w aspektach medycznych oraz z grupą prof. Mariana Szczereka z Instytutu Technologii Eksploatacji z Radomia, będącego częścią Sieci Badawczej Łukasiewicz, uznanym specjalistą w zakresie badań tarciowych. Chcemy podejść do problemu kompleksowo. Nie tylko leczyć, ale przede wszystkim zapobiegać. Projekt obejmuje dwa główne cele – opracowanie procedur pozwalających na bezinwazyjną diagnostykę stawu kolanowego i podanie we wczesnym stadium choroby zwyrodnieniowej preparatu zawierającego kopolimery typu „bottle-brush”, które trwale wiązałyby się z powierzchnią tkanki chrzęstnej stawu, zmniejszały tarcie i tym samym – ograniczały degradację chrząstki.

Co to są kopolimery typu „bottle-brush”?

Najprościej mówiąc, są to makrocząsteczki, które przypominają szczotkę do czyszczenia butelek – taką, jak używają mamy noworodków. W rzeczywistości to bardzo złożone cząsteczki zbudowane z milionów atomów, z których część stanowi prosty łańcuch, do którego doczepione są boczne. Mnie całość przypomina gąsienicę motyla albo krocionoga. Cechą szczególną takich kopolimerów jest duża liczba parametrów, które pozwalają na projektowanie końcowych właściwości produktu już na etapie syntezy. Są to: długość łańcucha głównego, liczba i długość bocznych łańcuchów, a przede wszystkim budowa chemiczna poszczególnych elementów, w tym szczególnie istotne są grupy znajdujące się na końcach bocznych łańcuchów. Możliwe jest również wytwarzanie takich makrocząsteczek, które w różnych fragmentach będą miały różne właściwości.

W jaki sposób nowe materiały mogą pomóc w chorobie zwyrodnieniowej stawów?

Opracowane przez nas kopolimery posiadają dwa zasadnicze typy segmentów. Jeden z tych segmentów, zawierający grupy fosforocholinowe, będzie zapewniał odpowiednio niskie tarcie, podczas gdy drugi pozwoli zakotwiczyć makrocząsteczkę na powierzchni tkanki chrzęstnej. Wytworzyliśmy kopolimery z różnymi segmentami kotwiczącymi, aby sprawdzić, który z nich będzie najbardziej efektywny. Ten etap badań jeszcze przed nami. Polimery będą wprowadzane do stawu poprzez iniekcję i na drodze reakcji chemicznej będą się łączyć z powierzchnią tkanek. Te chemiczne wiązania mają zapewnić długotrwałą obecność kopolimeru w stawie. Można powiedzieć, że przykryjemy chrząstkę cieniutką, śliską folią, która zmniejszy tarcie wewnątrz stawu i zabezpieczy chrząstkę przed degradacją.

Jaka jest rola w projekcie prof. Krzysztofa Matyjaszewskiego, wybitnego chemika z USA, związanego również z Katedrą Fizyki Molekularnej, w której prowadzone są badania?

Prof. Matyjaszewski jest pomysłodawcą całego przedsięwzięcia i początkowo był kierownikiem projektu. Ze względów proceduralnych nie mógł kierować projektem do jego zakończenia, ale wciąż aktywnie bierze udział w prowadzonych pracach. Jego ogromne doświadczenie, wiedza, kreatywność są nieocenione. Można śmiało powiedzieć, że jest naszym liderem i niedoścignionym wzorcem. Chyba najlepszym określeniem byłoby stwierdzenie, że to spiritus movens projektu. Możliwość współpracy z naukowym autorytetem klasy prof. Matyjaszewskiego jest doskonałą lekcją zarówno dla młodych adeptów nauki, jak i dla tych starszych. Dla nas to ogromny zaszczyt.

Projekt jest realizowany ze środków Narodowego Centrum Nauki z programu OPUS. Kiedy można spodziewać się konkretnych efektów badań?

To najtrudniejsze pytanie. Sytuacja związana z pandemią COVID-19 silnie spowolniła nasze prace. Szpital MSWiA był długi czas szpitalem jednoimiennym, a i na PŁ borykaliśmy się z wieloma ograniczeniami. Teraz nadrabiamy zaległości. Obecnie kończymy prace nad opracowaniem metodologii diagnostyki w oparciu o badania spektroskopowe. Jesteśmy w trakcie zakupu odpowiedniego spektrometru z sondą, którą będziemy mogli wprowadzić do stawu kolanowego. Na początku przyszłego roku powinniśmy rozpocząć badania in vivo. Mamy dopracowane metody syntezy kilku kopolimerów typu „bottle-brush”. Trwają testy ich właściwości tarciowych, co jest dużym wyzwaniem, ponieważ musimy poddawać analizie warstwy monomolekularne, czyli o grubości pojedynczej cząsteczki. Mamy nadzieję, że przyszły rok pozwoli nam pokonać trudności w tym obszarze i przejść do fazy badań na zwierzętach, ale to zapewne w ramach kolejnego projektu.

Rozmawiała: Małgorzata Trocha, Politechnika Łódzka