Dr. Syed Ahmed Shah, z Zakładu Biosystemów i Miękkiej Materii IPPT PAN, prowadzi projekt badawczy pt. “Biopolymer based Enzyme-mediated fast in situ injectable hydrogels laden with Curcumin nanocrystals for bone tissue engineering” (hydrożele polimerowe z nanokryształami kurkuminy z udziałem enzymów do szybkich wstrzykiwań in situ używane w inżynierii tkanki kostnej). Projekt jest wdrażany w ramach programu PASIFIC organizowanego przez Polską Akademię Nauk i jest adresowany do naukowców zagranicznych, którzy chcą prowadzić badania w Polsce. Beneficjenci programu otrzymują środki na badania oraz utrzymanie przez dwa lata trwania projektu. Projekt ma na celu przyciągnięcie zainteresowania naukowców zagranicznych do prowadzenia badań w Polsce.
Dr Syed Ahmed Shah
Doktor Syed Ahmed Shah rozpoczynał ścieżkę naukową od prac nad rozwojem, opracowaniem i oszacowaniem in vivo hydrożeli reagujących na bodźce, badając ich szerokie zastosowanie w biomedycynie i badaniach klinicznych. S.A. Shah otrzymał tytuł doktora na pakistańskim Uniwersytecie COMSATS w Islamabadzie. W hołdzie jego poświęceniu i pasji do przekładania nowatorskich pomysłów i koncepcji na rozwój nauk biomedycznych, dr Shah otrzymał nagrodę Research Excellence Award w 2022 roku od Uniwersytetu Superior w Pakistanie. Ponadto, jego zaangażowanie w przełomowe badania zostało docenione w 2020 roku, kiedy Komisja ds. Wyższej Edukacji Pakistanu przyznała mu stypendium podróżne na rozwój badań na Uniwersytecie Twente w Holandii.
W programie PASIFIC-MSCA, dr S.A. Shah zajmuje się hydrożelami pH-responsywnymi z udziałem enzymów w badaniach nad przyspieszoną regeneracją i odbudową kości, kontrolowanym podawaniem leków, inżynierią tkanki kostnej, biologicznymi systemami polimerowymi do odbudowy kości de novo, oraz składaniem funkcjonalnych konstrukcji, które w sposób holistyczny przyspieszają gojenie uszkodzonych tkanek kostnych.
Problem badawczy
Tkanka kostna do pewnego stopnia posiada wrodzone zdolności regeneracyjne, jednak cięższe uszkodzenia potrafią zakłócać procesy gojenia, skutkując defektami kości. Defekty te dały podstawę rozwoju innowacyjnych rozwiązań z użyciem biomateriałów takich jak rusztowania, ceramika kostna czy materiały kompozytowe. Niestety, bez względu na stopień zaawansowania, materiały te muszą sprostać wielu wyzwaniom technologicznym, m.in. ograniczoną integracją z tkanką pacjenta, kruchością, podatnością na infekcje, niewystarczającą mechaniką. Pomimo zaawansowania technologii biomateriałów w inżynierii tkanki kostnej i jej regeneracji, ograniczenia te pozostają znaczne.
Cele Projektu
Tkanka kostna posiada wrodzone zdolności regeneracyjne, jednak gojenie poważnych defektów kostnych wymaga żmudnego i wielowymiarowego podejścia do procesu regulującego interakcje pomiędzy biologicznymi i fizjochemicznymi czynnikami, takimi jak m.in. wzrost, komórki, siła biomechaniczna oraz macierz pozakomórkowa. Choroby układu kostnego na całym świecie są coraz częstym problemem, co daje się szczególnie zauważyć w ostatnich latach. Oszacowuje się podwójny wzrost liczby pacjentów z chorobami układu kostnego do 2024, zwłaszcza wśród populacji, w których procesy starzenia się idą w parze ze wzrostem otyłości i obniżeniem aktywności fizycznej. Według najnowszych badań, jedna na cztery kobiety i jeden na pięciu mężczyzn dotknięci są chorobami układu kostnego. Defekty kostne i uszkodzenia chrząstek kolanowych odnotowuje się u 60 procent pacjentów badanych artroskopowo, a u ok. 15 procent osób po sześćdziesiątym roku życia występują objawy kliniczne chorób kości. Ponadto szacuje się, że każdego roku na całym świecie ok. 1,5 miliona osób doświadcza złamania w skutek chorób układu kostnego, a co trzy sekundy ktoś doświadcza złamania spowodowanego osteoporozą. Wstrzykiwalne hydrożele formowane in situ cieszą się ogromną popularnością w badaniach nad przebudową kości. Uważa się je za dobrej jakości alternatywę stosowaną u pacjentów po interwencji chirurgicznej, ponieważ w sposób holistyczny pomagają w gojeniu uszkodzonych kości. Nasz projekt ma na celu opracowanie nanokryształów kurkuminy na bazie biomimetycznych polimerów (Cur-NCs) do kontrolowanej i celowej aplikacji w modelach ubytków kostnych w celu zwiększenia rozprzestrzeniania i naprawy tkanki kostnej.
Nanokryształy kurkuminy zostaną umiejscowione we wstrzykiwalnych hydrożelach formowanych in situ na bazie bioaktywnych polisacharydów. Proces włączenia bioaktywnych polimerów odbędzie się w oparciu o podobieństwa strukturalne do składnika macierzy pozakomórkowej w tkance kostnej oraz wytrzymałości mechanicznej. Biomimetyczne wstrzykiwalne hydrożele sprzyjają odkładaniu się macierzy oraz zapewniają sprzyjające warunki do rozprzestrzeniania się i różnicowania osteocytom. Ponadto, osteocyty zostaną włączone w układ hydrożelowy in vitro aby oszacować przetrwalność komórek i określić cytotoksyczność.
Rys.: Supramolekularny enzymatycznie usieciowany (za pomocą HRP i wody utlenionej) wstrzykiwalny hydrożel do inżynierii tkanki kostnej w śródszpikowym ubytku kości udowej, przedstawiający regenerację ubytków kostnych.
Obiecujące hydrożele
Hydrożele na bazie biopolimerów zapewniają obiecujący układ wsparcia kości w inżynierii tkanki kostnej. Potrafią dostarczać leki, reagować na bodźce, adaptować się do mikrośrodowisk obszarów uszkodzonych oraz pełnią funkcję biocząsteczek w naprawie i przebudowie tkanek.
Jak nasze rozwiązanie poprawi jakość życia?
Zaaplikowanie hydrożelu biopolimerowego doprowadzi do regeneracji osteocytów z dobrą morfologią osteoblastów i osteoklastów, a przyspieszone gojenie wpłynie na lepszą naprawę kości. Nasze hydrożele będą mogły zapewnić naturalne, hydrofilowe, trójwymiarowe środowisko sprzyjające przetrwaniu komórek i wspierające nowy wzrost kości. Ponadto, hydrożele będzie można dopasowywać, aby osiągnąć pożądaną geometrię implantacji lub wstrzyknięć, a tempo degradacji, porowatość oraz stopień uwolnienia będą kontrolowane poprzez zmianę metody i stopnia połączeń.
