Polscy naukowcy opracowali inteligentne opatrunki… z żelatyny. Mają uwalniać lek „na żądanie”

Jest tania, dostępna w każdym sklepie spożywczym i kojarzy się raczej z deserami niż z medycyną. A jednak to właśnie żelatyna może stać się podstawą opatrunków nowej generacji. Zespół dra Tomasza Swebockiego, profesora Politechniki Gdańskiej, połączył ją z rozpuszczalnikami eutektycznymi – i stworzył materiał, który sam walczy z bakteriami, a leki uwalnia wtedy, kiedy lekarz tego potrzebuje.

Antybiotykooporność to jeden z najpoważniejszych problemów współczesnej medycyny. Światowa Organizacja Zdrowia od lat ostrzega, że tracimy skuteczne narzędzia do walki z infekcjami – a problem jest szczególnie dotkliwy tam, gdzie rany nie chcą się goić.

Na Politechnice Gdańskiej trwają prace nad materiałem, który mógłby wspomóc tę walkę: opatrunkiem zdolnym nie tylko dostarczać leki, ale też samodzielnie działać przeciwbakteryjnie. Bazą jest… żelatyna.

Wyniki tych prac ukazały się pod koniec marca br. w „Advanced Functional Materials”, jednym z najwyżej cenionych czasopism w dziedzinie inżynierii materiałowej. Artykuł pod tytułem „ReDESigning Hydrogels for Biomedicine„, przygotowany przez zespół dra Tomasza Swebockiego, prof. UG z Instytutu Nanotechnologii i Inżynierii Materiałowej Politechniki Gdańskiej we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Łódzkiego i francuskiego CEA Saclay, opisuje zupełnie nową klasę biomateriałów – eutektożele. Czym są i dokąd mogą zaprowadzić leczenie ran?

Agata Źrałko, Hello Zdrowie: Żelatyna towarzyszy nam od lat i zazwyczaj traktujemy ją jako wypełniacz. To surowiec naturalny, tani, więc dlaczego w dobie ultranowoczesnych polimerów, szczególnie syntetycznych, to właśnie żelatyna okazała się najlepszą bazą dla państwa badań?

Dr Tomasz Swebocki, prof. PG: Z nowoczesnymi materiałami, takimi jak polimery syntetyczne, wiążą się dwa problemy. Po pierwsze, wymagają dość złożonego składu. A to oznacza, że wdrożenie takiego materiału w produkcji przemysłowej będzie nakładało obowiązek wyposażenia linii produkcyjnych w odpowiednie zaplecze laboratoryjne. Po drugie, takie polimery mogą wykazywać zwiększoną tendencję do wywoływania podrażnień lub uczuleń.

Dlatego łatwiej nam pracować z materiałami już dobrze poznanymi i powszechnie dostępnymi. W naszej grupie koncentrujemy się na opracowywaniu materiałów w ramach tzw. protokołów adaptacyjnych – czyli takich sposobów wytwarzania, w których korzystamy z surowców wymagających niskiego nakładu pracy. A żelatyna to jeden z najłatwiej dostępnych biosurowców.

Co ważne, żelatyna nie jest jedynym naturalnym biopolimerem, z którym pracujemy. Prowadzimy również badania w obszarze agarozy czy metylocelulozy.

Opublikowany artykuł dotyczy eutektożeli, czyli żeli, które nie opierają się na wodzie, a na rozpuszczalnikach eutektycznych. Dlaczego szukaliście zastępstwa dla wody, skoro bazujecie na łatwo dostępnych surowcach?

Woda jest hamulcem rozwojowym dla opatrunków na bazie żelatyny – żel żelatynowy utworzony z jej pomocą po prostu bardzo szybko wysycha. Wprowadzenie rozpuszczalników głęboko eutektycznych, tzw. DES-ów (skrót od angielskiego Deep Eutectic Solvents – przyp. red.), zwłaszcza tych higroskopijnych, powoduje, że materiał nie obsycha tak szybko.

Muszę dodać jedną ważną kwestię: w naszych badaniach nie pozbyliśmy się wody całkowicie, a zastosowaliśmy mieszaninę wody z DES-ami.

Czyli eutektożel to taka „ulepszona” żelatyna, czy to zupełnie nowy materiał?

Eutektożele to zdecydowanie nowy materiał kompozytowy. Były one różnie definiowane przez naukowców, ale nigdy nie zostały w pełni doprecyzowane w publikacjach.

Chcieliśmy połączyć dwa światy: standardowe biosubstancje dostępne naturalnie i rozpuszczalniki głęboko eutektyczne, który będą zmieniały ich właściwości. Tak powstały eutektożele.

Co więcej, DES-y są świetnym medium do stabilizacji różnych leków – zarówno antybiotyków małocząsteczkowych, jak i substancji trudniejszych do stabilizacji, np. peptydów czy białek. Poprawiają ich biodostępność i zwiększają stabilność termiczną. Potwierdza to wiele badań naukowych.

Dr Tomasz Swebocki, prof. Jacek Ryl, mgr Angelika Łepek / źródło: media.pg.edu.pl

To jakie DES-y w połączeniu z żelatyną przetestowaliście w laboratorium?

Do tej pory testowaliśmy dwa rozpuszczalniki głęboko eutektyczne: relinę oraz glicelinę. Oba zawierają chlorek choliny, czyli bardzo powszechną substancję, znaną medycynie od dawna. W przypadku reliny drugim składnikiem był mocznik, a w przypadku gliceliny – zwykły glicerol.

A czym różniły się efekty zastosowania jednego i drugiego DES-u?

Jeden z nich powodował, że żel tworzył coś w rodzaju gąbki molekularnej – zatrzymywał w sobie dużo substancji aktywnej, np. antybiotyku. Drugi natomiast wygładzał powierzchnię żelu, dzięki czemu lek przechodził przez niego szybciej i w bardziej kontrolowany sposób, przy stosunkowo niewielkich stratach.

Dobierając odpowiedni DES, mogliśmy sterować trzema kluczowymi parametrami opatrunku: jak szybko lek się w niego wchłania, ile go „tracimy” w samym materiale oraz jak szybko pojawia się po drugiej stronie, czyli przy ranie. Bo żaden opatrunek nie jest bezstratny – zawsze pewna ilość leku zostaje wewnątrz materiału.

W zależności od tego, jakiego rozpuszczalnika użyliśmy i w jakim stężeniu, mogliśmy modulować właściwości morfologiczne żelu, np. zmieniać jego usieciowienie czy chropowatość, które mają kluczowe znaczenie dla szybkości dostarczania leku w opatrunkach.

I to jest bezpośrednio związane ze zmianą struktury samej żelatyny. Można ją sobie wyobrazić jako sieć – a w tej sieci są uporządkowane obszary, tzw. domeny. W badaniach prowadzonych we współpracy z naukowcami z Francji udało się pokazać, że w zależności od użytego DES-u zmieniają się odległości między tymi domenami. Gdy są bliżej siebie, sieć jest gęstsza i zatrzymuje więcej leku. Gdy dalej – struktura jest bardziej otwarta i lek przechodzi łatwiej.

Wiemy już, że eutektożele mogą dostarczać leki. Ale czy sam materiał ma jakieś właściwości przeciwdrobnoustrojowe?

Właściwości przeciwdrobnoustrojowe samych rozpuszczalników głęboko eutektycznych sprawdzaliśmy we wcześniejszych badaniach. Testowaliśmy je na bakteriach z grupy ESKAPE, które Światowa Organizacja Zdrowia uznaje za jedne z najgroźniejszych.

Okazało się, że DES-y są bardzo skutecznymi substancjami bakteriobójczymi, ale działają raczej jak młot niż jak skalpel. Najprościej mówiąc: jak wybijają, to wybijają skutecznie, ale nie odróżniają komórek bakteryjnych od ludzkich, zdrowych. Nie są specyficzne tak jak antybiotyki.

Skąd biorą się te właściwości?

Ze składu chemicznego. Niektóre DES-y zawierają substancje o naturalnych właściwościach przeciwdrobnoustrojowych, np. kwas cytrynowy, który jest stosowany jako naturalny konserwant. Z takich składników można tworzyć DES-y o silnym działaniu bakteriobójczym.

Te, z którymi my pracowaliśmy – relina i gliceryna – też takie właściwości wykazują, ale w znacznie wyższych stężeniach. Dlatego po wytworzeniu eutektożeli chcieliśmy sprawdzić, czy sam materiał, bez dodatkowego leku, jest w stanie działać przeciwbakteryjnie. Testowaliśmy go na dwóch modelowych szczepach: Escherichia coli, czyli bakterii Gram-ujemnej, oraz MRSA, czyli gronkowcu opornym na metycylinę, który jest bakterią Gram-dodatnią. To flagowe modele stosowane w tego typu badaniach.

Pomysł był więc taki, żeby stworzyć materiał, który nie tylko dostarcza antybiotyk, ale sam wspomaga walkę z drobnoustrojami.

Wspomniał pan wcześniej o „gąbce molekularnej”, która zatrzymuje lek w opatrunku. Czy to oznacza, że można sterować momentem, w którym lek się uwalnia?

Każdy opatrunek ma swoją kinetykę uwalniania: lek wydostaje się z niego stopniowo, zgodnie z pewnym profilem czasowym. Interakcje między lekiem a matrycą opatrunku mogą być na tyle silne, że lek ulega retencji, czyli po prostu zostaje w środku. To właśnie pokazaliśmy w naszym badaniu – że w zależności od czasu i użytego DES-u te krzywe uwalniania wyglądają różnie.

Ale chcieliśmy pójść dalej. Pracujemy nad tym, żeby opatrunek mógł działać również „na żądanie”. Czyli żeby lek uwalniał się w kontrolowany sposób, z możliwością dodatkowego uwolnienia większej dawki, kiedy lekarz uzna to za konieczne – bez zdejmowania opatrunku.

Dlaczego to takie ważne, żeby nie zdejmować opatrunku?

Bo każde zdjęcie opatrunku to ryzyko podrażnienia okolicy rany, zaognienia infekcji, dodatkowego bólu. Jeśli damy lekarzowi narzędzie do sterowania dawkowaniem bez ingerencji mechanicznej, zyskujemy znacznie większą kontrolę.

Czyli coś w rodzaju zaworu, który kieruje przepływem leku?

Tak. Albo go przytrzymuje, albo uwalnia wtedy, kiedy chcemy.

Żelatyna to materiał, który w wyższych temperaturach traci formę. Jak eutektożel zachowuje się w temperaturze ciała, czyli ok. 37 stopni Celsjusza?

To jest coś, co aktualnie badamy. Żelatyna rzeczywiście ma tendencję do przechodzenia w stan płynny w okolicach 37-40 stopni Celsjusza. W naszych testach obserwujemy, że częściowo dochodzi do rozpuszczania żelu. Dlatego jesteśmy na etapie opracowywania drobnych domieszek z innych, powszechnie dostępnych polimerów, które podniosą temperaturę żelowania.

Czyli to jest słaby punkt materiału?

Niekoniecznie. Ta wrażliwość na temperaturę może być też zaletą. Wyobraźmy sobie sytuację, w której lek jest „uwięziony” w opatrunku i chcemy go szybko uwolnić. Podnosząc temperaturę, możemy właśnie to osiągnąć. To kolejny mechanizm sterowania uwalnianiem – de facto pożądana właściwość.

Dla kogo taki materiał mógłby być w przyszłości przeznaczony?

Moim celem naukowym jest opracowywanie materiałów na rzecz walki z antybiotykoopornością. Szukamy w zespole zarówno substancji, które same wykazują właściwości bakteriobójcze, jak i takich, które mogą wspomagać inne leki.

Z tego pomysłu wychodziliśmy i tutaj. Chcieliśmy opracować żele, które mogą służyć jako nośniki leków lub samodzielnie wykazywać właściwości przeciwdrobnoustrojowe w kontekście trudno gojących się ran. Ran, których problemem jest nawracająca lub ciągła infekcja, często związana z występowaniem szczepów opornych.

Przykłady, które przychodzą na myśl jako pierwsze? Pacjenci z cukrzycą, u których gojenie ran bywa poważnie zaburzone. Albo żołnierze wracający z pola walki z ranami, które są wyjątkowo trudne w leczeniu. To jest dość palący problem w kontekście leczenia ran.

Na tym etapie dowiedliśmy, że kontrolowane dostarczanie leków za pomocą eutektożeli jest możliwe. Teraz musimy ten materiał optymalizować i adaptować pod realne potrzeby.

W jaki sposób testowaliście działanie eutektożeli w laboratorium?

Zależało nam na tym, żeby sposób testowania był jak najbliższy warunkom przyłóżkowym – czyli temu, co dzieje się przy kontakcie opatrunku z raną. Dlatego używaliśmy specjalistycznych celi pomiarowych oraz elektrod drukowanych technologią 3D, które pozwalają symulować kontakt z raną. Chcieliśmy pokazać, że niskim kosztem i niskim nakładem da się wytworzyć narzędzie, które ma szansę mieć potem zastosowanie w praktyce klinicznej.

Kiedy realnie taki „inteligentny opatrunek” mógłby trafić do szpitali?

Mówimy o latach. Badania biologiczne, które dotychczas pokazaliśmy, to dopiero przedsionek. Musimy je powtórzyć jeszcze kilka razy, zwalidować między laboratoriami, a potem starać się o rozpoczęcie badań klinicznych. I dopiero na podstawie tych badań, wiedząc, że wszystko jest bezpieczne do stosowania u ludzi, będziemy mogli myśleć o wdrożeniu jako realnego rozwiązania przemysłowego.

Ile trwało opracowanie dotychczasowych wyników?

Prace trwały mniej więcej rok. Co ciekawe, wszystko zaczęło się od zaplanowanego przypadku. W ramach wymiany naukowej przyjechał do nas jeden ze współautorów, wtedy jeszcze przyszłej, publikacji i od słowa do słowa stwierdziliśmy: „A co będzie, jeżeli weźmiemy jedno, drugie i zmieszamy? Chodźcie, zobaczymy!”. I szczerze – to był strzał w dziesiątkę. Takie strzały zdarzają się niebywale rzadko, ale są ogromnym źródłem naukowej satysfakcji.

Uważam, że cała magia nauki, ta, która odpowiada na realne potrzeby, często wychodzi od bardzo prostych pytań. Po pierwszych wynikach stwierdziliśmy: „Dobrze, trzeba się teraz nad tym pochylić, zbadać to i solidnie, rzetelnie podejść do tematu”. I ta publikacja jest efektem właśnie tego przypadku.

Nasza grupa zajmuje się na co dzień materiałami niezwiązanymi bezpośrednio z tym, czego dotyczy artykuł. Ale mając doświadczenie w pracy z rozpuszczalnikami eutektycznymi i metodami detekcji, mogliśmy połączyć te kompetencje, żeby wprowadzić biomateriały do zastosowań medycznych. A że udało się pozyskać finansowanie – grant NOBELIUM w ramach programu IDUB Politechniki Gdańskiej i grant MINIATURA 9 z Narodowego Centrum Nauki – mogliśmy te pomysły rzeczywiście przełożyć na badania.

Czyli – jak to było powiedziane – przypadek sprzyja umysłom przygotowanym?

Dokładnie tak.

Dr Tomasz Swebocki – profesor Politechniki Gdańskiej, gdzie prowadzi badania w obszarze inżynierii materiałowej na rzecz medycyny i ochrony środowiska. W swojej pracy koncentruje się na projektowaniu rozpuszczalników głęboko eutektycznych (DES) oraz ich integracji z materiałami funkcjonalnymi. Jego badania obejmują wykorzystanie DES w kontroli mikrobiologicznej, ze szczególnym uwzględnieniem przeciwdziałania oporności drobnoustrojów na antybiotyki (AMR). Ponadto zajmuje się opracowywaniem nano- i biomateriałów o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych, które mogą wspierać rozwój nowoczesnych strategii antyseptycznych oraz ograniczanie rozwoju patogenów.