Tým vědců z Fakulty chemické Jagellonské univerzity pod vedením prof. dr hab. Marie Nowakowské vytvořila multifunkční materiál, jehož účelem je zlepšit metody léčby osteoporózy a vyrovnání drobných kostních defektů. Novým materiálem je hydrogel, který se vstříkne do kostního defektu, kde se pak „ztuhne“ chemickým zesítěním při 37ºC. Díky své struktuře a složení se hydrogel trvale přichytí ke kostní tkáni a funguje jako lešení, na kterém se tvoří nová kostní tkáň k vyplnění defektu v přirozených biologických procesech.

Podávejte lék pouze tam, kde je to nutné

Výzkumníci také navrhli další funkci pro nový materiál. Chemické složení hydrogelu umožňuje stát se nosičem léků na osteoporózu, které lze lokálně podávat pouze do blízkosti nemocných tkání a kostních defektů. Vědci tvrdí, že metoda, kterou vyvinuli, má dvě hlavní výhody. Za prvé, umožňuje vám ustoupit od léků na systémovou osteoporózu, které mají silné vedlejší účinky. Za druhé, hydrogel umožňuje aplikovat mnohem vyšší koncentrace léčiva v bezprostřední blízkosti nemocných tkání a zvýšit tak účinnost terapie. Mimochodem, díky svým vlastnostem jsou zde další šance na přirozenou rekonstrukci kosti v místě dutin.

„Složky našeho hydrogelu napodobují přirozené složení kostní tkáně. Mezi jeho složky patří kolagen, kyselina hyaluronová a chitosan, polysacharid s prokázanými antibakteriálními, protizánětlivými a analgetickými vlastnostmi. Navíc obsahuje klíčovou anorganickou složku. Jde o systém částic oxidu křemičitého zdobený námi syntetizovaným hydroxyapatitem, který plní několik důležitých a užitečných funkcí v hydrogelu a navrhované terapii. Složky hydrogelu se po jeho vstříknutí, již v těle, na sebe vážou kovalentními vazbami. Tato vlastnost umožňuje podávání hydrogelu neinvazivním způsobem a celý materiál si zachovává svou funkčnost, protože nepodléhá nekontrolované degradaci“ – vysvětluje Dr. hab. Joanna Lewandowska-Łańcucka z Fakulty chemické Jagellonské univerzity, spoluvynálezce.

„Hydroxyapatit použitý v hydrogelu je hlavním, anorganickým stavebním kamenem kostní tkáně v živých organismech, který ovlivňuje její pevnost. V našem materiálu hraje podobnou roli. Tento minerál řádně zahušťuje preparát, který po injekci snadno přilne ke kostní tkáni v místě defektu a slouží jako substrát pro osteoblasty, které kost přestavují. To je však jen skromná část naší inovace. Skutečně převratný objev se týká možnosti vázat do hydrogelu alendronát sodný, oblíbený lék na osteoporózu, a získat tak multifunkční materiál s terapeutickým potenciálem. Díky těmto vlastnostem budou moci lékaři aplikovat lék přímo na postižená místa injekcí hydrogelu, kde se bude postupně uvolňovat,“ dodává doktorka Adriana Gilarska, spoluautorka vynálezu, na kterém pracovala v rámci své doktorské disertační práce. na Fakultě chemické Jagellonské univerzity.

Nadějné testy

Výzkumný tým již dokončil výzkum na myším modelu. Cílem testů bylo prokázat široce chápanou biokompatibilitu hydrogelu za podmínek in vivo. Vědci prokázali, že přípravek lze aplikovat injekčně a že nezpůsobuje toxické účinky. Navíc bylo prokázáno, že v místě aplikace hydrogelu dochází k přirozené angiogenezi, tj. tvorbě kapilárních krevních cév. To naznačuje možnost reálného využití tohoto materiálu jako základu pro obnovu kostních tkání. I samotný hydrogel podléhá přirozené, postupné degradaci. Studie "in vivo" ( v živém organismu)  byly prováděny po dobu 60 dnů a poslední den byly v místě aplikace hydrogelu stále viditelné zbytky hydrogelu. Studie in vitro navíc potvrdily, že léčivo podávané v hydrogelu - alendronát sodný - se do těla uvolňuje postupně, což může navíc zvýšit účinnost léčby.

„První testy hydrogelu na buněčných liniích a zvířecích modelech byly velmi slibné. Z tohoto materiálu zatím plánujeme navrhovat terapie drobných kostních defektů, způsobených především osteoporózou, ale i různých typů poranění či defektů, které vznikají například v důsledku neurologických operací. Materiál by proto měl zajímat široké spektrum revmatologů, ortopedů, ale i neurologů a stomatologů,“ říká doktor Eng. Gabriela Konopka-Cupiał, ředitelka Centra pro transfer technologií CITTRU Jagellonské univerzity.

Jsou zapotřebí další klinické studie

V současné době vědecký tým hledá možnosti spolupráce s investory, kteří by se podíleli na dalším vývoji vynálezu a na nezbytných klinických studiích. Vědci nevylučují jak nepřímou komercializaci, například založením spin-off společnosti, tak provádění dalších vývojových prací s pomocí financování ze zdrojů Národního centra výzkumu a vývoje nebo Národního vědeckého centra. Naznačují, že je nutné konečně provést toxikologické studie, provést testy na větších zvířatech a také stanovit optimální koncentrace alendronátu sodného pro dosažení nejlepších terapeutických výsledků.

Modifikace hydrogelu umožní stanovit množství topického dávkování léků na osteoporózu

Tvůrci hydrogelu v současné době pracují na dalších úpravách oxidu křemičitého použitého v jeho složení pro zvýšení zvládnutelnosti budoucích plánů léčby osteoporózy. „Díky projektu Tango V – cesta A, financovanému Národním centrem pro výzkum a vývoj, můžeme pokračovat ve vývoji naší technologie. Podařilo se syntetizovat hydroxyapatitem zdobené a správně funkcionalizované mezoporézní částice oxidu křemičitého, které umožňují adsorbovat a vázat několikanásobně více osteoporózy v hydrogelu. Studie prokázaly, že použití tohoto typu částic nejen výrazně zvýší koncentraci alendronátu sodného v blízkosti nemocných oblastí, ale že porézní struktura zpomalí uvolňování léčiva, což může časem prodloužit jeho účinek. To znamená, že v budoucnu budou lékaři schopni přesně navrhnout jak výkon, tak časovou náročnost terapie, v podstatě zcela eliminovat vedlejší účinky systémového podávání léku. Díky efektivnějšímu plnění léčiva, ale také, co je třeba zdůraznit, zrychlenému procesu zdobení hydroxyapatitem, má tato vylepšená verze bioaktivního nosiče mnohem větší aplikační potenciál“ – vysvětluje Dr. Joanna Lewandowska-Łańcucka.

Minimalizované vedlejší účinky

Proč je lokální léčba osteoporózy tak důležitá? Účinným lékem v boji proti tomuto stavu je alendronát sodný. Působí tak, že se váže na kostní hydroxyapatity, přičemž samotný lék inhibuje aktivitu osteoklastů, tedy kostních buněk, které jsou zodpovědné za degradaci kostní tkáně. Neinhibuje však aktivitu osteoblastů, které tvoří kost. Podporuje tedy přirozenou rekonstrukci kostí. Při osteoporóze je kostní tkáň systematicky degradována, ztrácí svou hmotu a neustále slábne. Postupem času se v kostech objevují dutiny, které zvyšují riziko poškození nebo zlomenin. Tento proces lze zastavit inhibicí aktivity osteoklastů, zvýšením aktivity osteoblastů nebo realizací obou těchto akcí současně.

Alendronát sice inhibuje osteoporózu, ale v dosud používaných terapiích je podáván především perorálně, díky čemuž je systémový, a jako lék má řadu nežádoucích vedlejších účinků. Systémové užívání léku s nežádoucími vedlejšími účinky má za následek jeho relativně nízkou biologickou dostupnost – v nemocných oblastech lze dosáhnout pouze nízkých koncentrací. Proto je nutné striktně dodržovat doporučení pro užívání tohoto léku a samotné terapie jsou dlouhodobé a ne vždy přinášejí uspokojivé výsledky. Je tedy zásadní mít schopnost dodávat lék lokálně, přesně tam, kde je potřeba, a obejít zbytek těla. V optimálním scénáři se lokálně podávané léčivo uvolňuje postupně, což dále zvyšuje účinnost terapie. Toto je model fungování navržený v materiálu vyvinutém na Jagellonské univerzitě. Na vynález se vztahuje patentová ochrana v Polsku i v zahraničí.

autor: Richard Šipka