Miroslava Rysová se v Oddělení aplikované biologie Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci ve svém výzkumu již deset let zaměřuje na nanovlákna. Konkrétně na to, jak v medicíně využít v kožním lékařství specifické vlastnosti nanovlákenných materiálů, ale také jak využít další materiály, třeba ve formě tenkých vrstev a biodegradabilních nanočástic, k funkcionalizaci nanovlákenných struktur. Na toto aktuální téma jsme jí položili několik otázek.
Vaší doménou je využití nanovlákenných materiálů v regenerativní medicíně?
Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace je jako celek zaměřený především na aplikační výzkum. Doménou našeho týmu jsou především nanovlákenné systémy pro dopravu léčiv a regenerativní medicínu, hlavně pro použití při hojení chronických a nekrofilních ran. Pracujeme nejen se strukturou nanovláken, kterou se snažíme různě modifikovat a upravovat, ale i s jejich materiálovým složením, které přidává další jedinečné vlastnosti.
Nanovlákenné kryty ran mají vynikající vlastnosti, které přirozeně stimulují hojení ran a umožňují jejich využití i jako nosičů léčiv a aktivních molekul. Zajímavé jsou z vědeckého hlediska možnosti kombinací těchto vlastností při hojení kožních poranění. To probíhá v několika fázích, které ovlivňuje zvolený materiál a léčivo zvolené pro vazbu nebo včlenění (inkorporaci) do nanovlákenné struktury. U každého léčiva je potřeba inkorporovat jinou optimální dávku a dosáhnout jiného profilu kinetiky uvolňování.
S jakými materiály pracujete?
Neděláme polymerní syntézu, ale vzájemně kombinujeme a různě funkcionalizujeme zejména syntetické, ale i přírodní polymery. Pracujeme s celou škálou nanovláken využitelných pro hojení ran.
Každý materiál má odlišné vlastnosti, a je tedy vhodnější pro jinou fázi hojení. Zabýváme se materiály pro kontaminované rány i dopravou a uvolňováním léčiv v jejich prostředí. Nehledáme přímo nové aplikace, ale řešíme problém v dané aplikaci a k tomu designujeme vhodný materiál.
Z přírodních polymerů pracujeme například s nanovlákny želatiny, kolagenu, chitosanu nebo hedvábného fibroinu (silk fibroin — SF), což je protein získaný z kokonů bource morušového. Pracujeme také s anorganickými nanomateriály, třeba na bázi oxidu křemičitého.
Kde tyto materiály získáváte a jak je zpracováváte?
Chitosan je polymer získaný deacetylací chininu a tvoří základní stavební složku schránek korýšů a hub. Jde o vedlejší produkt rybárenského průmyslu a vlastně o odpad. Kupujeme ho a v laboratoři sami zvlákňujeme. Na trhu je této suroviny obrovské množství, my však pro naše účely vybíráme jen zboží vysoké medicínské kvality a čistoty. Musí se počítat s tím, že to je přírodní nesyntetizovaný materiál, což znamená určitou variabilita kvality mezi jednotlivými šaržemi, kdy se u přírodních organismů promítají i klimatické podmínky.
Pracujeme také s polymerními nanovlákny. V medicínských aplikacích nanovláken je například hodně využívaný a na trhu dostupný polykaprolakton. Výhodou tohoto syntetického polyesteru je, že je zvláknitelný širokou škálou rozpouštědel, což umožňuje dosažení různé morfologie vláken, preferované pro konkrétní účely. Požadavky na strukturu nanovláken se totiž mohou v různých oblastech, např. v hojení ran a ve tkáňovém inženýrství, značně lišit. A to i s ohledem na typ tkáně. Protože každá tkáň a každý buněčný typ preferuje jinou strukturu a jiné materiálové složení.
Možnost zvlákňování z tak širokého spektra rozpouštědel pak umožňuje kombinace s dalšími materiály, jako jsou různá léčiva a biopolymery, v závislosti na jejich rozpustnosti a kompatibilitě. Tím se zlepšuje jeho bioaktivita a zvyšuje se i stimulace růstu buněk. Tyto kombinace připravujeme elektrostatickým zvlákňováním nejprve laboratorně a potom, v případě, že se osvědčí, na poloprovozním zařízení Nanospider. To je zvlákňovací zařízení, vyrobené na základě patentu týmu profesora Oldřicha Jirsáka podaného na Technické univerzitě v Liberci.
Pracujeme i na nových materiálech, o kterých zatím nelze veřejně mluvit.
Jaké materiály preferujete: přírodní, nebo syntetické?
Mezi výhody syntetických polymerů patří stabilní kvalita a většinou dobré mechanické vlastnosti produktu. Řada syntetických polymerů je nedegradabilní, což představuje problém z ekologického hlediska. My ale většinou pracujeme se syntetickými polymery, jejichž doba rozkladu při fyziologických podmínkách se pohybuje v rozmezí od půl do jednoho roku.
V případě přírodních polymerů, jako je chitosan nebo silk fibroin, je rozklad mnohonásobně rychlejší, takže je nutná jejich stabilizace (tzv. síťování), aby došlo k jeho zpomalení. Přidanou hodnotou přírodních polymerů je jejich vyšší bioaktivita, a právě proto se hodně zabýváme kombinací obou typů, abychom získali z obou materiálů to nejlepší.
Jaký je současný trend vašeho výzkumu?
V současné době je jedním z hlavních směrů výzkumu dekontaminace ran a s tím související využívání antibakteriálně aktivních proteinů a přírodních látek. Důvodem je všeobecně se zvyšující bakteriální rezistence vůči antibiotikům. Dalším důvodem jsou změny v doporučeních lékových agentur souvisejících s vývojem rezistence.
Pokud je zaznamenán rozvoj rezistence vůči konkrétnímu antibiotiku nebo jeho skupině, je na delší období doporučeno snížení nebo zastavení jeho používání. To se stalo před nějakou dobou například u tetracyklinu. Z tohoto důvodu pracujeme s několika různými typy širokospektrálních antibiotik a snažíme se dosáhnout co největší robustnosti našich nanovlákenných krytů, aby nás takový vývoj nezaskočil a nevrátil o několik let zpátky.
I proto existuje snaha zkoumat využití jiných než antibiotických antibakteriálně účinných látek a jejich kombinací pro dosažení synergického efektu pro dlouhodobější ochranu.
O jaké látky se jedná?
Zabýváme se využitím antibakteriálních iontů, například stříbra a zinku. Biogenní ionty, stejně jako jiné molekuly, mohou pomoci při hojení ran. Je to jeden z typů aktivních látek, které zabudováváme do nanovláken, jednak kvůli jejich antibakteriálnímu účinku, ale také schopnosti modifikovat zánětlivou odpověď v ráně, která nastartuje proces hojení známý jako reepitalizace.
(Celý článek naleznete v aktuálním vydání Technického týdeníku.)