Biomateriály a bioanalogické systémy
Biomateriály jsou dle IUPAC definovány jako materiály přicházející do styku s živou tkání, organizmem nebo mikroorganizmem. Biomateriálová věda je dynamicky se rozvíjející mezioborové odvětví, proto jsou v oddělení personálně zastoupeni vědci a doktorandi, jejichž původním zaměřením bylo chemické inženýrství, organická a polymerní chemie. Složení teamu tak umožňuje zapojení do mezioborových projektů kombinujících chemický/materiálový a biochemický/biologický přístup k porozumění mechanizmů interakcí materiálů s buňkami.
Výzkum
Materiály
Z hlediska studovaných materiálů se výzkum zaměřuje zejména na biodegradovatelné polymery, tj. polymery plně rozložitelné biologickými mechanizmy, jejich syntézu a charakterizaci. Ze syntetických polymerů jsou předmětem studia polymery na bázi syntetických polyaminokyselin, (PAA), s hlavním řetězcem tvořenými peptidickými vazbami, nebo alifatické polyestery, zejména polymery kyseliny mléčné, tj. polylaktidy (PLA). Z přírodních polymerů se zaměřujeme na biomateriály na bázi polysacharidů, tj. kyseliny hyaluronové a alginátu.
Biomimetické polymerní povrchy pro tkáňové inženýrství
Biomimetické povrchy jsou studovány jako selektivní kultivační podpora pro různé druhy tkání (například cévní stěna, chrupavka, nervová tkáň). Základní myšlenkou je příprava univerzální modifikace materiálu protein-odpudivou vrstvou na bázi polydopamin-poly(ethylén oxidu) a její následnou biomimetickou modifikací.
|
|
|
Příprava 3D scaffoldů
Nedílnou částí aktivit oddělení je příprava polymerních scaffoldů (trojrozměrných podpůrných skeletů) pro specifické aplikace v tkáňovém inženýrství. Jedním z příkladů jsou elektrostatickým zvlákňováním připravené polylaktidové nanovlákenné membrány sloužící jako nosič pro kultivaci a transplantaci buněk retinálního pigmentového epitelu pro léčbu věkem podmíněné makulární degenerace (degenerativní onemocnění sítnice).
|
|
|
Polylaktid a syntetické poly(amino kyseliny) jsou dále využívány pro přípravu mikrovlákenných disků sloužících jako nosič pro tkáňové inženýrství chrupavky. Jejich následná modifikace biomimetickými peptidy s přísně řízenou povrchovou koncentrací vyvolá diferenciaci kmenových buněk kostní dřeně na chondrocyty.
|
|
|
Jiným příkladem polymerních scaffoldů jsou kovalentně síťováné kryogely vhodné pro tkáňové inženýrství měkkých tkání. Radikálová polymerace vodných roztoků makromonomerů na bázi syntetických poly(amino kyselin) a minoritních komonomerů pod bodem mrazu vede ke vzniku houbovité hydrogelové struktury se vzájemně propojenými póry. Variace složení monomerů umožňuje řízení enzymatické biodegradability a povrchové koncentrace biomimetických ligandů.
|
|
|
Jiným slibným systémem tkáňového inženýrství je využití injikovatelných polymerních gelů pro regeneraci chrupavky kdy hlavní výhodou tohoto systému je minimalizace chirurgického zásahu v místě poškozené tkáně. V tomto případě je hydrogel tvořen in situ v okamžiku aplikace polymerací poly(amino kyselinového) prekurzoru. Rozdílné fyzikálně-chemické vlastnosti výsledného gelu jako například tuhost, koncentrace biomimetických ligandů a rychlost lze řídit složením injikovaného roztoku (koncentrace polymerního prekurzoru, aktivita síťovacího enzymu apod.).
|
|
|
Nanogely (měkké hydrogelové nanočástice) mohou být alternativou cestou k přípravě injikovatelných hydrogelových scaffoldů pro neinvazivní chirurgické implantace. V tomto případě jsou měkké nano/mikrogelové částice nejprve připraveny inverzní miniemulzní polymerací a teprve následovně injikovány do organizmu. Tyto systémy mohou také sloužit nejenom jako scaffoldy pro regeneraci tkání ale také jako biosenzory nebo depa pro řízené uvolňování bioaktivních molekul (léčiva, růstové faktory, hormony).
|
|
|
3D Biotisk
Velmi nadějným přístupem k přípravě polymerních scaffoldů pro tkáňové inženýrství je v současné době 3D biotisk. Proto je jednou z klíčových aktivit oddělení vývoj polymerních materiálů pro pokročilý tisk hydrogelů. S využitím zkušeností z různých oblastí polymerní a biomateriálové vědy probíhá vývoj komplexního, plně nexenogenního bioinkoustu založeného na syntetických poly(amino kyselinách) obsahujícího polysacharidové komponenty sloužící jako porogen a nanogelové domény pro řízené uvolňování růstových faktorů.
Mikročástice pro řízené uvolňování léčiva
Úspěšné potlačení imunitní odezvy organizmu je jedním z klíčových faktorů při xenotransplantacích. Toho lze dosáhnout kontrolovaným uvolňováním léčiva potlačujícího odezvu imunitního systému (například takrolimu). Připravené biodegradovatelné polymerní částice na bázi poly(D,L-laktidu-co-glykolidu) sloužící jako depo pro řízené uvolňování léčiva byly úspěšně použity při různých transplantačních experimentech na zvířecích modelech.
|
|
|
Spolupráce
- Yeditepe University, Department of Genetics and Bioengineering, Istanbul, Turkey
- Masarykova Univerzita, Oddělení Histologie and Embryologie, Lékařská fakulta, Brno, ČR
- Ústav živočišné fyziologie a genetiky, Akademie věd České republiky, Liběchov, ČR
- Oční klinika, Fakultní nemocnice Královské Vinohrady, 3. lékařská fakulta, Karlova univerzita, Praha, ČR
- Stem Cell Therapies in Neurodegenerative Diseases, Spanish Stem CellBank, Centro de Investigación Príncipe Felipe, Valencia, Spain
- Department of Anesthesiology, University of California, San Diego, USA
- Jeseniova lekárská fakulta v Martine, Universita Komenského Bratislava, Slovensko
Grantová podpora
- Š. Popelka (spolunavrhovatel) Experimentální transplantace buněk retinálního pigmentového epitelu na modelu velkého zvířete: GA ČR GA18-04393S (2018–2020)
- V. Proks Injikovatelné hydrogely na bázi polypeptidů napodobující dynamické procesy mezibuněčné hmoty: GA ČR GA18-03224S (2018–2020)
- V. Proks (spolunavrhovatel) Modelování tkáně plic pomocí 3D tisku lidských progenitorových buněk: GA ČR GA18-05510S (2018–2020)
- V. Proks Xeno-free enzymaticky degradovatelné polymerní materiály pro 4D biotisk: GA ČR GA21-06524S (2021–2023)
- H. Studenovská (spolunavrhovatel) Zavedení léčby deficience limbálních kmenových buněk pomocí přípravků moderní terapie v České republice. TA ČR TO01000099 (2021–2023)
- H. Studenovská (spolunavrhovatel) Standardizované kultivace, transplantace a uchovávání RPE buněk za účelem léčení věkem-podmíněné makulární degenerace (AMD) TA ČR TO01000107 (2021–2023)