K nejprogresivnějším vědním oborům současnosti patří nanotechnologie. Některé aplikační možnosti se již rýsují v medicíně, stavebnictví, strojírenství, textilním průmyslu, elektrotechnice, energetice či zemědělství, řadu dalších odhalí teprve budoucnost. O výzkumu nanotechnologií a jejich možném využití v medicíně jsme hovořili s jedním z předních českých odborníků na tuto oblast prof. RNDr. Evženem Amlerem, CSc., který je svými rozsáhlými pracovními aktivitami rozkročen mezi Ústav biofyziky na 2. lékařské fakultě UK a Inovační biomedicínské centrum při Ústavu experimentální medicíny AV ČR. Na těchto pracovištích se zabývá například tvorbou buněčných nosičů, především biodegradabilních a na bázi nanovláken, umožňujících řízený přísun živin a léků přímo do místa defektu, nebo přípravou umělých chrupavčitých náhrad pro klinické využití v ortopedii. Můžete prozradit, kdy jste se začal zabývat nanotechnologiemi a na základě jakého podnětu? Nanotechnologiemi jsem se začal zabývat zhruba před 8 lety. Tehdy jsem vedl diskusi se svým bývalým spolužákem z vysoké školy a tehdejším rektorem Technické univerzity v Liberci profesorem Davidem Lukášem – jedním z vynálezců tzv. spinneru, zvlákňovacího zařízení liberecké společnosti Elmarco, která patří na poli nanotechnologií k průkopníkům – a uvědomil jsem si netušené možnosti, jež nanotechnologie skýtají. Každá lidská tkáň má své charakteristické buňky, kosti se skládají z osteoblastů, chrupavky z chondrocytů, nervové buňky z neuronů a astrocytů. Zejména u pojivových tkání je však důležité uvědomit si, že to nejsou buňky, co tvoří hlavní rozdíl mezi kostí a chrupavkou, ale hmota, která se nalézá mezi těmito buňkami. Biomechanické vlastnosti, které rozhodují o kvalitě tkáně, určuje právě tato tzv. extracelulární matrice. Když pak tuto matrici zkoumáte podrobněji, zjistíte, že její rozměry jsou v nanometrech. Tudy vede cesta k využití nanovláken v medicíně. Ta se totiž ukazují jako ideální materiál pro tvorbu struktury, v níž se mohou výše zmíněné buňky usidlovat a na níž mohou nerušeně vytvářet extracelulární proteiny. Bezkonkurenční výhodou nanovláken je v tomto případě skutečnost, že pro buňku vytvářejí prostředí, které ji v její činnosti téměř nijak neomezuje. Nanovlákna se dnes pro tyto potřeby dále upravují a vytvářejí se z nich nanovlákna druhé a třetí generace, tzv. funkcionalizovaná nanovlákna, která mají nové specifi cké vlastnosti. Abychom se však mohli takovému vývoji naplno věnovat, potřebujeme mít dobré podmínky pro základní výzkum, protože bez poznatků základního výzkumu nejsme schopni pokročit dále. Naší pracovní skupině se sice podařilo vybudovat most mezi základním výzkumem a aplikační sférou, po němž dokážeme velmi rychle přejít, pokud však nemáme informace, které nám může poskytnout pouze základní výzkum, je tento most k ničemu. Jaké konkrétní aplikace by nanovlákna v medicíně v budoucnu mohla mít? Současná doba přináší celou řadu civilizačních chorob, které jsou jen obtížně léčitelné. Patří k nim například artróza, bolestivé onemocnění kloubů, při němž dochází k destrukci kloubní chrupavky a změně jejích mechanických vlastností. Tato nemoc obvykle postihuje dospělou populaci zhruba od 50 let věku, ale může začít třeba již v 35 letech. S tím, jak populace celkově stárne, to navíc začíná být i závažný ekonomický problém. Dnes již sice existují způsoby, jak chrupavku nahradit, jako je například mozaiková plastika, nemoc však vyléčit nelze. Kromě artrózy jsou problémem i veškeré komplikovanější zlomeniny kostí. V takových případech jsme limitováni množstvím kostního materiálu, který jsme pro pacienta schopni zajistit. V těchto případech na významu nabývají nanotechnologie a tkáňové inženýrství. Můžete obor tkáňového inženýrství přiblížit? Jedná se o nový vědní obor, který se pokouší vynalézt takové postupy a technické prostředky, jež by umožnily vytvořit potřebné živé tkáně v laboratorních podmínkách, tedy mimo tělo, a následně je do něj implantovat. V podstatě si tento obor klade dvě základní otázky: „Jak rychle vytvořit nové buněčné tkáně?“ a „Jak stimulovat regeneraci původní tkáně?“. Pro větší názornost uvedu příklad. Lidské tělo od určitého věku, zhruba od 12 let, neumí množit chondrocyty, buňky, z nichž jsou tvořeny chrupavky. Naším úkolem je proto pokoušet se o toto množení v umělých podmínkách, in vitro. To se dnes již daří. Avšak je zde ještě jeden velmi závažný problém, na který narazili asi před 10 či 15 lety v USA, kde se takto vytvořené buněčné struktury pokoušeli implantovat do kloubů. Američtí vědci při těchto pokusech zjistili, že buňka nefunguje, dokud nepřilne k nějakému podpůrnému materiálu, na němž může produkovat extracelulární hmotu. Bez odstranění tohoto problému se vývoj kupředu nepohne. Nyní se proto hledají způsoby, jak pro chondrocyty vytvořit „lešení“, z něhož by mohly stavět novou chrupavčitou tkáň. Ideální by bylo, kdyby se toto „lešení“ postupně, tak jak tato tkáň nabývá konečného tvaru, rozpadalo. Jakým způsobem by bylo možné toto „lešení“ vystavět? Jednou z uvažovaných variant je, že se struktura, k níž by mohly buňky přilnout, vytvoří z polymerů pomocí 3D tisku. Principiálně je tento postup nabíledni, 3D tiskárny však stále ještě nejsou tak přesné, aby dokázaly vytvořit strukturu s přesností na nanometry. Výroba těchto „lešení“ tedy bude i nadále probíhat především na bázi kompozitního nosiče obsahujícího nanovlákna, který vytvoří strukturu hlavní skeletové stavby, do které se budou nanovlákna nějakým způsobem uchycovat. Dalším problémem chrupavky je to, že i když ji třeba dokážeme uměle vyrobit, tak ji pak musíme nějakým způsobem přichytit ke kosti. Výhodnější by proto bylo vytvořit chrupavku i s kostí, osteochondrální implantát, který by se pak zabudoval do kosti. Ortopedové tuto obtíž často řeší tzv. návrty. Proniknou subchondrální kostí až ke kostní dřeni, která pak migruje k povrchu. V kostní dřeni jsou kmenové buňky, které se dokážou diferencovat na nejrůznější druhy buněk včetně chondrocytů, potřebných k tvorbě chrupavky. Potíž je v tom, že kmenové buňky se diferencují spíše do fi broblastů než do chondrocytů a vzniká tak cosi, co sice pacientovi trochu uleví od bolesti, ale kloub není zcela hladký, vytvoří se na něm totiž jakýsi strup. Fibroblasty navíc nevydrží tlak, který musí kloub dlouhodobě snášet, takže po čase dojde k jeho „ošoupání“. Zde by se opět mohla použít nanovlákna, upravená tak, aby se z jejich vnitřku uvolňovaly přesně ty látky, které buňka potřebuje k tomu, aby se stimulovala k proliferaci vyúsťující ve vznik chondrocytů, a nikoli fi broblastů. Jaké další medicínské aplikace se do budoucna rýsují? Vedle již zmíněné ortopedie se aplikační možnosti nabízejí například v dermatologii. Nanotechnologie by mohly být řešením pro jakékoli velké kožní léze. Když máte rozsáhlou ránu, je třeba ji uchránit před infekcí a mokváním. V takovýchto případech by se nanovlákna mohla velmi dobře využít, protože propouštějí vodu a zároveň zabraňují bakteriím, aby se dostaly do rány. Dále je třeba stimulovat granulaci, tzn. zacelení rány, k čemuž by nanovlákna mohla rovněž významně přispět. Jaká je perspektiva použití nanočástic k cílené distribuci léčiv? S cílenou distribucí léčiv prostřednictvím lipozomů se začalo již zhruba před 15 či 20 lety. Tento mechanismus je založen na tom, že se vytvoří kapénka se dvěma vrstvami lipidů a na jejím povrchu i uvnitř je voda. Předností takovéto kapénky je to, že se může pohybovat v krevním řečišti tak dlouho, dokud není osmotický tlak takový, aby praskla. Na lipidy lze navázat protilátku, která teoreticky může postupovat tělem až k maligní buňce, kde se zachytí, praskne a uvolní svůj obsah. Problémem je však to, že imunitní systém, který lipozom identifi kuje jako cizorodou látku, neumožní jeho dostatečně dlouhou retenci v krvi, tak aby se dostal až k maligní buňce. Je tedy nutné vytvořit něco na způsob radary nezachytitelných letadel, tzn. vyvinout pro lipozomy speciální obaly, které imunitní systém ošálí. Tímto krokem však zase ztratíme „doručovací adresu“, která zůstane ukryta uvnitř. V současné době tedy cílená distribuce léčiv probíhá pouze na lokální úrovni, tzn. nosič s lékem vstříkneme do určitého místa, v němž se lék v požadovaném časovém intervalu uvolní. I zde by v budoucnu k výraznému posunu mohly přispět tzv. nanovlákenné nosiče s fotoafi nně vázanými mikrosférami, takzvanými mikro nebo nanokapslemi, které mohou nést a distributivně uvolňovat léčiva a bioaktivní látky. Můžete zmínit některé z nanotechnologických postupů, které se vašemu týmu podařilo vyvinout? Já a mí spolupracovníci jsme hrdi na to, že jsme součástí týmu, který vytvořil patentovanou technologii, a tu by mohla zásadním způsobem změnit současnou výrobu nanovláken. Jedná se o výrobu prostřednictvím střídavého zvlákňování. Podle fáze střídavého napětí se na zvlákňovací elektrodě vytváří polymerní nanovlákna s opačným elektrickým nábojem, která se po svém vzniku v důsledku působení elektrostatických sil shlukují do lineárního útvaru ve formě kabílku nebo pruhu, jenž se volně pohybuje v prostoru ve směru gradientu elektrických polí směrem od zvlákňovací elektrody. Lineární útvar vytvořený tímto způsobem je elektricky neutrální a je tvořen polymerními nanovlákny uspořádanými do nepravidelné mřížkové struktury, ve které jednotlivá nanovlákna v úsecích dlouhých jednotky mikrometrů mění svůj směr. Patentovánu máme rovněž technologii na principu přeplavovacího elektrostatického zvlákňování, díky níž lze vyrábět plněná nanovlákna. Nyní je třeba pro tato nanovlákna najít vhodné aplikace a plně využít jejich možností. Co v současné době brání razantnějšímu zavádění nanotechnologií do praxe? Největší překážkou, proč nanovlákna dosud nejsou široce aplikována, je to, že všichni v nich sice cítí velký potenciál, ale téměř nikdo je zatím nedokáže zcela přesně aplikačně zvládnout. Důvodů, proč tomu tak je, existuje celá řada, v textilním průmyslu je to například proto, že se ve srovnání s jinými textiliemi jedná přece jen o poněkud dražší materiál. Je proto třeba hledat aplikace, které jsou schopny tuto dražší technologii „unést“. Nanotechnologie jsou relativně mladý vědní obor a odborníků na tuto oblast bude zřejmě zatím poměrně málo, jak si vybíráte spolupracovníky do svého týmu? V regenerativní medicíně a tkáňovém inženýrství je nezbytné kombinovat celou řadu dalších vědních oborů, je třeba zapojit odborníky na biologii, farmakologii, experty z technických oborů, například ze strojírenství, a hledat mezi těmito obory překryvy. Nikdy by asi nevznikl tak kvalitní tým, jaký nyní máme, kdyby se jednalo pouze o odborníky z jedné instituce. Náš tým je přirozeně se vyvíjející organismus, který dnes tvoří několik desítek lidí z několika institucí, intenzivní spolupráce probíhá mezi Inovačním biomedicínským centrem při Ústavu experimentální medicíny AV ČR, 2. lékařskou fakultou UK, Fakultou biomedicínského inženýrství ČVUT a Univerzitním centrem energeticky efektivních budov ČVUT. Věnujeme se jak konstrukci přístrojů, tak sestavování nanovlákenných kompozit, které však v budoucnu mohou nalézt využití i někde zcela jinde než tam, kde jsou jejich současné předpokládané aplikace, třeba v kriminalistice. Jako velmi perspektivní se začíná jevit například využití nanotechnologií při rozpoznávání pachových stop. Nanovlákna by mohla umožnit uchovávat tyto stopy v digitální formě po neomezeně dlouhou dobu. Petr Jechort
