Natural sciences [2021-09-17]

Wszczep szyty na miarę

— Marcin Behrendt

Poprawę jakości życia po operacjach odtwórczych dróg moczowych ma zapewnić pacjentom Urograft, czyli biokonfigurowalny kompozytowy wszczep indukujący regenerację ściany pęcherza moczowego. Nad wynalazkiem pracują naukowcy z Collegium Medicum UMK.

Obecnie istnieje szereg metod chirurgicznych wykorzystywanych do odtworzenia dróg odprowadzających mocz po usunięciu pęcherza moczowego. Lekarze wybierają odpowiednią w zależności od wskazania do zabiegu, wieku pacjenta, jego ogólnego stanu zdrowia i wielu innych czynników. Najprostszą z nich jest wszycie moczowodów w skórę powłok brzusznych i wyprowadzenie moczu na zewnątrz do tzw. worka urostomijnego. Jednak poza niewygodą dla pacjenta procedura ta ma jeszcze jedną wadę: komórki naskórka nadpełzają do miejsca zespolenia i moczowody zarastają. Dlatego pewną modyfikacją tej metody jest wszycie moczowodów w skórę poprzez wstawkę z jelita. Ale i ten sposób nie jest doskonały, ponieważ wymaga zabiegów na dwóch układach: moczowym i pokarmowym. Bardziej skomplikowaną techniką jest wytworzenie z jelita czegoś w rodzaju zbiornika na mocz. Ten zbiornik może być zespolony przez wstawkę ze skórą, a mocz poprzez stomię wyprowadzany na zewnątrz lub może być połączony z cewką moczową  - wówczas mocz może być oddawany drogą fizjologiczną. - Tak to obecnie wygląda w praktyce klinicznej – mówi dr hab. Marta Pokrywczyńska, prof. UMK z Zakładu Medycyny Regeneracyjnej Banku Komórek i Tkanek Collegium Medicum UMK w Bydgoszczy. - Czyli o żadnej regeneracji nie ma tu mowy.

Jelito własne pacjenta jest materiałem używanym w urologii rekonstrukcyjnej od ponad 100 lat. Do tej pory nie wymyślono niczego lepszego, chociaż wykorzystanie jelita w operacjach odtwórczych dróg moczowych niesie za sobą wiele powikłań wynikających z odmiennych właściwości ściany przewodu pokarmowego i dróg moczowych.

Kompozyt zamiast jelita

Dlatego zespół naukowców z Collegium Medicum rozpoczął pracę nad wytworzeniem pierwszego komercyjnie dostępnego wszczepu do rekonstrukcji pęcherza moczowego człowieka. Urograft będzie biokonfigurowalnym kompozytem zbudowanym z biomateriałów i komórek macierzystych.

Ma być dedykowany pacjentom wymagającym operacji rekonstrukcyjnej pęcherza zwiększającej jego pojemność. Są to pacjenci z tzw. wysokociśnieniowym pęcherzem moczowym. Kiedy pęcherz nie jest wystarczająco duży, mocz gromadzi się w nim pod zbyt dużym ciśnieniem. Konsekwencją tego jest to, że cofa się on do nerek, uszkadzając je.

Biokonfiguracja w przypadku tego projektu oznacza, że kształt rusztowania do rekonstruowanego pęcherza moczowego będzie dobierany komputerowo. Naukowcy podkreślają, że pacjenci urologiczni są w różnym wieku, mają pęcherze o różnej pojemności i ścianach bardziej lub mniej elastycznych.

Dzięki wykorzystaniu tej technologii będziemy mogli dopasowywać kształt i rozmiar wszczepu indywidualnie dla każdego pacjenta – mówi prof. Pokrywczyńska, która jest kierownikiem projektu Urograft. - To będzie bardzo spersonalizowana terapia.

W pierwszym etapie medycy mieli kilka prototypów wszczepu świetnie wypadających w badaniach komputerowych. Po rozpoczęciu testów na zwierzętach okazywało się jednak, że ten teoretycznie najlepszy prototyp po wszczepieniu nie wyglądał tak, jak oczekiwali naukowcy. – Obecnie, po modyfikacji prototyp jest już wszczepialny, a obserwacje są obiecujące – mówi prof. Pokrywczyńska. - Projekt jest nastawiony na to, żeby wyniki przenieść do praktyki klinicznej.

Kompozyt, z którego ma być "zbudowane" rusztowanie, to materiał złożony z kilku innych biomateriałów, a cała koncepcja regeneracji zakłada odtworzenie natywnej tkanki pacjenta. - Rekonstruując jakąkolwiek tkankę, jakikolwiek narząd, potrzebujemy dwóch podstawowych elementów: rusztowania i komórek – tłumaczy prof. Pokrywczyńska. – Wynika to z tego, że tkanki  zbudowane są z komórek i substancji, która wypełnia przestrzeń między komórkami tzw. macierzy zewnątrzkomórkowej, którą stanowią głównie białka takie jak kolagen i elastyna. To jest takie rusztowanie, na którym osadzone są komórki. My chcąc odtworzyć daną tkankę, ścianę narządu w przypadku pęcherza, wykorzystujemy rusztowanie kompozytowe zbudowane z różnych biomateriałów i wysiewamy to rusztowanie komórkami. To są komórki ludzkie.

Solidne rusztowanie

Projekt Urograft ma za mały budżet, żeby naukowcy mogli rozpocząć badania kliniczne, natomiast efektem końcowym ich pracy ma być gotowy wszczep z komórkami ludzkimi. – Idea jest taka, że pacjentowi wymagającemu operacji rekonstrukcyjnej pęcherza moczowego będziemy przeszczepiać komórki macierzyste pobrane od uniwersalnego dawcy – tłumaczy prof. Pokrywczyńska. - Trzeba dodać, że będziemy korzystać z takich komórek macierzystych, które nie są immunogenne, czyli nie są rozpoznawane przez organizm pacjenta jako obce. Mamy taki cudowny typ komórek macierzystych w naszym organizmie. Są to mezenchymalne komórki macierzyste, które określane są jako niskoimmunogenne i mogą być przeszczepiane między dawcą a biorcą bez badania zgodności tkankowej, normalnie sprawdzanej przed przeszczepami narządów czy szpiku w leczeniu białaczek.

Rusztowania mogą być wysiewane różnymi komórkami. - Moglibyśmy pobrać biopsję ze ściany pęcherza pacjenta, wyizolować komórki budujące pęcherz, czyli komórki nabłonka urotelialnego oraz mięśniówki i nimi wysiać konstrukcję – mówi prof. Pokrywczyńska. - Ta droga oczywiście byłaby prostsza, bo już na starcie mielibyśmy komórki narządu, który chcemy zrekonstruować. Ale tej terapii nie moglibyśmy skomercjalizować, ponieważ musielibyśmy przygotowywać osobny wszczep dla każdego pacjenta. Stąd koncepcja wykorzystania komórek macierzystych.

Jest też drugi powód. Największą grupą pacjentów wymagających operacji rekonstrukcyjnych dróg moczowych są pacjenci onkologiczni. W przypadku raka naciekającego warstwę mięśniową należy usunąć cały pęcherz, w którym jest szereg ognisk nowotworowych. Nie można więc wykorzystać jego komórek do rekonstrukcji. Dlatego lepiej bazować na komórkach macierzystych.

Naukowcy już kilka lat temu postawili sobie pytanie, co się dzieje z wszczepianymi komórkami. Próbowali na nie odpowiedzieć w dwóch niezależnych projektach badawczych. Wcześniej sprawdzili, że po wszczepieniu samego rusztowania pęcherze regenerują się gorzej niż w przypadku wszczepienia rusztowania wysianego komórkami.

Okazało się, że regeneracja w pęcherzu rekonstruowanym z wykorzystaniem rusztowań wysianych komórkami macierzystymi jest wynikiem dwóch nakładających się procesów - tłumaczy prof. Pokrywczyńska. - Po pierwsze część z wszczepionych komórek przekształca się w komórki budujące ścianę pęcherza moczowego. Jest to dowiedzione eksperymentalnie, na wielu modelach. Komórki macierzyste pod wpływem czynników wzrostowych wydzielanych przez tkankę natywną, w tym przypadku komórki ściany pęcherza moczowego, przekształcają się w komórki o określonym fenotypie, np. mięśniowe lub nabłonka urotelialnego.

Badacze z Collegium Medicum zauważyli jednocześnie, że tylko marginalny odsetek komórek przekształca się w te budujące ściany pęcherza moczowego. Mimo to efekt regeneracyjny w pęcherzach rekonstruowanych z wykorzystaniem komórek macierzystych i tak jest nasilony. Komórki wszczepione w rekonstruowaną ścianę nie tylko mają zdolność różnicowania się, ale stanowią również źródło czynników wzrostowych, stymulujących komórki natywnej ściany pęcherza moczowego do migracji, nadpełzania i zasiedlania wszczepu.- Duża część komórek obumiera – wyjaśnia prof. Pokrywczyńska. - Trzeba bowiem podkreślić, że mimo tego, iż ściana pęcherza ma prostą strukturę, to środowisko pęcherza moczowego jest bardzo niekorzystne. W badaniach in vitro potwierdziliśmy, że nawet godzinna inkubacja komórek z moczem krytycznie wpływa na ich żywotność. Natomiast pomimo, że wszczepione komórki obumierają, stanowią coś w rodzaju warstwy odżywczej dla pozostałych.

Gruntowna przebudowa

To jest taka przebudowa, remodeling – mówi prof. Pokrywczyńska.

Inżynieria tkankowa zakłada tworzenie tkanek w warunkach laboratoryjnych, poza organizmem pacjenta i ich wykorzystywanie po to, żeby nie było potrzeby używania - w tym przypadku - z jelita. Koncepcja jest taka, że jeśli medycy wszczepią pacjentowi rusztowanie z kolagenu, to ono będzie degradowane, ale fibroblasty biorcy w międzyczasie wyprodukują nowy kolagen. - To jest taka przebudowa, remodeling – mówi prof. Pokrywczyńska. - Na starcie dostarczamy materiał naturalny, wytworzony przez inny organizm, natomiast idea jest taka, by ten materiał degradował i był zastępowany, czyli żeby w efekcie końcowym zregenerowana tkanka była złożona z komponentów wytworzonych przez organizm pacjenta.

Projekt miał się skończyć w tym roku, ale Covid-19 pokrzyżował plany naukowcom. Członkowie zespołu chorowali, mieli problemy z zamówieniem odczynników. Dlatego prof. Pokrywczyńska złożyła wniosek o przedłużenie badań o cały przyszły rok. Obecnie naukowcy są na etapie wszczepiania rusztowań zwierzętom i oceny. - Jesteśmy w dobrym momencie, projekt posuwa się do przodu i mam nadzieję, że w przyszłym roku zostanie sfinalizowany – mówi jego kierowniczka. - Zobaczymy czy to będzie ten moment przejścia do praktyki klinicznej, czy jeszcze coś będzie trzeba ocenić, zwalidować, bo decyzja o rozpoczęciu wszczepów pacjentom jest trudna. Mając zoperowanych 60 świń, mamy pewien obraz, z jakimi powikłaniami możemy się spotkać, z jakimi ograniczeniami, a w momencie przejścia z badaniami na ludzi musimy być w 100 proc. pewni, że jest to produkt bezpieczny, taki który zaaplikowalibyśmy najbliższym członkom rodziny czy sami sobie.

Naukowcy z Collegium Medicum rekonstrukcją pęcherza moczowego zajmują się od wielu lat. Prof. Pokrywczyńska zainteresowała się nim, zbierając materiały do pracy doktorskiej w 2007 r., ale jej szef prof. Tomasz Drewa, kierownik Katedry Urologii i Andrologii na Wydziale Lekarskim CM UMK, specjalizował się w tej dziedzinie już wcześniej. Na początku medycy pracowali na małym modelu zwierzęcym, robili badania na szczurach. Od kilku lat pracują na dużym modelu zwierzęcym - badają świnie. – W tym projekcie wykorzystujemy doświadczenie zebrane we wszystkich poprzednich, bo z każdym zrealizowanym przedsięwzięciem udaje nam się rozwiązać część problemów – mówi prof. Pokrywczyńska. - Pojawia się też szereg nowych koncepcji. Przejście na duży model zwierzęcy pozwoliło nam zidentyfikować wiele trudności, o których w ogóle nie mieliśmy pojęcia, prowadząc badania na modelu szczura.

Badacze obecnie pracują nad pierwszym etapem projektu, tym prostszym, jakim jest rekonstrukcja ściany pęcherza.

Chcemy opracować skuteczną metodę regeneracji ściany rekonstruowanego pęcherza moczowego, aby zwiększyć jego pojemność – mówi prof. Pokrywczyńska. - Tego celu jeszcze nie osiągnęliśmy. Jesteśmy w drodze. Pracujemy też nad wytworzeniem sztucznej wstawki do odprowadzenia moczu z wykorzystaniem technik inżynierii tkankowej, która normalnie jest wstawką z jelita. My tworzymy ją z różnego rodzaju biomateriałów, komórek i mamy zamiar przeszczepiać ją pacjentom. Ostatnią fazą projektu ma być przygotowanie przeszczepu i walidacja jego produkcji.

Urograft jest projektem badawczo-rozwojowym. Naukowcy chcą modulować wielkość wszczepu. Będzie ona dopasowywana do potrzeb konkretnego pacjenta. Planują komercyjnie udostępnić trzy rozmiary: dla niemowląt, dzieci i dorosłych.

Prof. Pokrywczyńska zdaje sobie sprawę, że w urologii rekonstrukcyjnej tańszym zabiegiem jest ten z wykorzystaniem jelita, bo wymaga jedynie zaangażowania zespołu przy stole operacyjnym. W przypadku Urograftu trzeba doliczyć koszty związane z produkcją wszczepu. Nie jest tani, bo trzeba go zrobić zgodnie z wytycznymi dobrej praktyki wytwarzania, czyli w laboratoriach o podwyższonym standardzie, podwyższonej czystości powietrza, których funkcjonowanie i utrzymanie jest bardzo drogie. - Jeśli jednak spojrzymy na to, z jakimi powikłaniami borykają się pacjenci po zabiegach z wykorzystaniem jelita i oszacujemy to w długoterminowej skali, okaże się, że nasze rozwiązanie również ekonomicznie jest bardziej korzystne. Potwierdzają to kalkulacje, które przeprowadziliśmy – mówi prof. Pokrywczyńska.

Widoki na przyszłość

Rozwiązanie, nad którym pracuje zespół naukowców, w przyszłości będzie można wykorzystywać w obrębie układu moczowego, przy rekonstrukcji nie tylko pęcherza, ale i cewki moczowej oraz moczowodów. Bardzo prawdopodobne, że tę technologię będzie można stosować też przy zabiegach na narządach o podobnej budowie, czyli takich, które są wyścielone nabłonkiem, a na zewnątrz tkanką mięśniową. Tych narządów jest sporo, cały przewód pokarmowy jest zbudowany w ten sposób.

Na razie naukowcy koncentrują się jednak na urologii, ponieważ w tej dziedzinie mają największe możliwości poznawcze. Tłumaczą, że to dzięki temu, iż w ramach Katedry Urologii i Andrologii działa część kliniczna i Zakład Medycyny Regeneracyjnej, który jest przystosowany do prowadzenia badań transplantacyjnych. - Możemy prowadzić nie tylko badania przedkliniczne, do których mamy pełne zaplecze, ale jesteśmy w stanie przygotować produkt, który będzie wszczepiany pacjentom – mówi prof. Pokrywczyńska. - Bardzo często te jednostki działają oddzielnie. My pracując w zespole, widzimy, jak różne jest podejście biotechnologów, klinicystów, wiemy, jakie są oczekiwania obu stron. Przez to, że pracujemy wspólnie, uczymy się nawzajem jedni od drugich.

Projekt "UROGRAFT – biokonfigurowalny kompozytowy wszczep indukujący regenerację ściany pęcherza moczowego" finansowany jest ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach IX edycji programu LIDER. Jego całkowita wartość wynosi 1,2 mln zł.

Rak pęcherza moczowego stanowi ponad 25 proc. wszystkich nowotworów. W Polsce co roku rozpoznaje się ponad 150 tys. nowych przypadków, 1/3 chorych, czyli średniej wielkości miasto umiera. Naciekający warstwę mięśniową rak pęcherza moczowego, wymagający całkowitego usunięcia pęcherza i operacji odtwórczych dróg moczowych, stanowi ok 30 proc. diagnozowanych przypadków.