Regeneracja to fascynujący proces, który wpływa na nasze zdrowie, środowisko i technologie. Od odbudowy tkanek w organizmach, przez przywracanie równowagi ekosystemów, po regenerację maszyn i systemów technicznych Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego wprowadzają innowacyjne technologie, które rewolucjonizują medycynę regeneracyjną i leczenie ubytków kostnych. W ramach projektu Miesiąc Partnera Klastra przedstawiamy najnowsze osiągnięcia w tej dziedzinie!
„Znużony wędrowcze, odpocznij w cieniu,
Niech twój duch siły w ciszy nabiera,
Bo w każdej chwili tkwi ślad odnowienia,
Który serce po trudach wspiera."
Adam Asnyk
Regeneracja jest to proces przywracania pierwotnej funkcjonalności, struktury lub równowagi różnych systemów — biologicznych, mechanicznych, środowiskowych i psychologicznych. Może dotyczyć zarówno organizmów żywych, elementów środowiskowych, społecznych a także systemów technicznych.
W biologii i medycynie proces ten odnosi się do zdolności organizmu do odtwarzania utraconych lub zniszczonych tkanek, narządów lub komórek. Aksolotl, gatunek salamandry, jest jednym z najbardziej znanych możliwości regeneracji wśród kręgowców. Może on zregenerować swoje kończyny, ogon, a nawet części serca. U ludzi wątroba to narząd o wysokiej zdolności do regeneracji. Nawet po usunięciu znacznej jej części, reszta może się odbudować i przywrócić swoje pełne funkcje. Regeneracja środowiskowa to proces odbudowy ekosystemów zniszczonych przez działalność człowieka, katastrofy naturalne lub zanieczyszczenie. Może obejmować m.in rewitalizacja terenów zniszczonych, odbudowa ekosystemów w tym przywracanie bioróżnorodności czy usuwanie zanieczyszczeń. W kontekście mechanicznym lub technicznym, regeneracja może dotyczyć przywracania sprawności maszyn, systemów komputerowych czy pojazdów poprzez naprawę lub wymianę zużytych części. Regeneracja społeczna rozumiana jest jako proces odbudowy więzi społecznych, struktur wspólnotowych lub poprawy jakości życia w społecznościach dotkniętych kryzysami. Nie można również zapominać o regeneracji w kontekście psychologicznym i emocjonalnym. W psychologii proces ten m.in. odnosi się do zdolności jednostki do odbudowy sił psychicznych, emocjonalnych i poznawczych po doświadczeniach stresu, wyczerpania lub traumy.
Szeroko rozumiana regeneracja jest wszechstronnym pojęciem i odgrywa kluczową rolę w wielu aspektach naszego życia. Naukowcy od dawna zdają sobie sprawę, iż zrozumienie tych procesów ma fundamentalne znaczenie dla zdrowia i dobrobytu człowieka oraz przetrwania w zmieniającym się warunkach, dlatego też całym świecie prowadzone są badania procesów regeneracji w różnorodnych dziedzinach.
Uniwersytet Jagielloński prowadzi wielokierunkowe badania nad procesami regeneracji w różnych aspektach, w tym biologicznym, środowiskowym, psychicznym i społecznym. Wspieranie innowacyjnych rozwiązań oraz zrównoważonego rozwoju jest kluczowym celem tych badań, które znajdują zastosowanie w praktyce oraz polityce społecznej. Co więcej, Uniwersytet Jagielloński promuje współpracę między różnymi wydziałami i instytutami, co pozwala na bardziej kompleksowe zrozumienie procesów regeneracyjnych. Interdyscyplinarne projekty badawcze, które łączą biologów, psychologów, ekologów, inżynierów i socjologów, mają na celu zrozumienie złożonych interakcji między różnymi aspektami regeneracji i ich wpływem na życie człowieka.
Mezenchymalne komórki macierzyste
Mówiąc o procesie regeneracji, trudno pominąć wątek komórek macierzystych, które odgrywają kluczową rolę w odbudowie tkanek i organów w organizmach wielokomórkowych. Te unikalne komórki mają zdolność do samoodnawiania się oraz różnicowania w różne typy komórek, co czyni je niezwykle cennym obiektem badań w kontekście medycyny regeneracyjnej. Mezenchymalne komórki macierzyste (MSC – z ang. Mesenchymal Stem Cells, nazywane również „leczniczymi komórkami sygnalnymi” – z ang. Medicinal Signaling Cells) można pozyskać od dorosłych dawców, z wielu różnych tkanek, w tym szpiku kostnego i tkanki tłuszczowej. Mają unikatowe właściwości i w zależności od biochemicznych sygnałów, jakie otrzymają, mogą one przeobrażać się w komórki różnych tkanek, między innymi w komórki kostne, chrzęstne, mięśniowe, tłuszczowe, jak również regenerować stawy, ścięgna, a nawet tkankę nerwową. W organizmach zwierząt MSC pełnią funkcję naturalnego zasobu, który w razie potrzeby jest wykorzystany jako uniwersalny budulec nowej tkanki. Obecnie nie ma żadnych technicznych przeszkód, by z tkanki tłuszczowej człowieka pozyskać MSC i w warunkach laboratoryjnych namnożyć te komórki do zastosowania terapeutycznego. Jest to ponadto łatwiejsze, wydajniejsze i mniej obciążające dla potencjalnego dawcy, niż pobór np. MSC ze szpiku kostnego. Wyzwaniem jest jednak skuteczne stymulowanie takich MSC tkanki tłuszczowej do różnicowania w komórki innej tkanki niż tej, z której zostały pobrane. To właśnie w tym obszarze zespół naukowy z Wydziału Biologii Uniwersytetu Jagiellońskiego dokonał przełomowego odkrycia. Opracował sposób, który pozwala w bardzo krótkim czasie pozyskać komórki tkanki kostnej gotowe do przeszczepów lub do innego wykorzystania w terapiach regeneracji kości.
Naukowczynie z UJ mogą pochwalić się aż trzema innowacjami w obszarze strategii hodowli i stymulacji MSC tkanki tłuszczowej do ich różnicowania w komórki kostne:
- innowacyjną pożywką (tj. koktajlem) dla MSC tkanki tłuszczowej, która wykazuje właściwości stymulujące różnicowanie ludzkich komórek macierzystych tkanki tłuszczowej w komórki kostne;
- sposobem prowadzenia statycznej hodowli komórkowej (bez poddawania hodowli fizycznemu mieszaniu) na zastosowanych podłożach i z zastosowaniem koktajlu chemicznego;
- sposobem prowadzenia dynamicznej hodowli komórkowej (hodowla jest poddawana fizycznemu mieszaniu, przez co przygotowanie komórek do przeszczepu jest jeszcze szybsze).
Wynalazek otwiera możliwość efektywnego naprowadzania MSC tkanki tłuszczowej na różnicowanie w komórki kostne w warunkach in vitro, co może mieć unikatowe zastosowanie w medycynie regeneracyjnej i weterynarii.
Produkt MesoCellA-Ortho
Kolejna technologią opracowaną na Uniwersytecie Jagiellońskim związaną z procesem regeneracji jest komórkowy produkt leczniczy terapii zaawansowanej dla zastosowań w ortopedii o nazwie MesoCellA-Ortho. Został on opracowany przez zespół BioMistem, skupiający naukowców z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ oraz badaczy i klinicystów z firmy Galen-Ortopedia sp. z o.o. w Bieruniu. Substancję czynną stanowią ludzkie autologiczne mezenchymalne komórki macierzyste/stromalne z tkanki tłuszczowej. Jest on przeznaczony do zastosowania w ortopedii, w leczeniu ubytków chrzęstno-kostnych u pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów (osteoartroza). MesoCellA-Ortho został wytworzony w certyfikowanych warunkach GMP (ang. Good Manufacturing Practices), jest w pełni scharakteryzowany pod względem aktywności terapeutycznej, przeszedł procedurę zgłoszenia i klasyfikacji w Europejskiej Agencji Leków oraz został dopuszczony do badania klinicznego z udziałem pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów.
Bioterapeutyk na bazie EVs
Z procesem regeneracji związana jest także innowacja w postaci pęcherzyków zewnątrzkomórkowych (ang. Extracellular Vesicles; EVs) pochodzących z komórek macierzystych i ich zastosowanie jako terapeutyki nowej generacji. EVs to nanometryczne struktury naturalnego pochodzenia, zawierające szereg składników aktywnych biologicznie. EVs mogą wnikać do innych komórek przekazując im swoją zawartość, przez co mogą wpływać na zmianę ich zachowania. Ze względu na korzystne cechy takie jak: niewielkie rozmiary, biokompatybilność i biofunkcjonalność, EVs zyskują coraz większą popularność jako terapeutyki nowej generacji. Prowadzone są już pierwsze próby kliniczne z wykorzystaniem EVs jako bio-terapeutyków, np. w chorobach sercowo-naczyniowych.
Naukowcy z UJ wykazali, iż wyizolowane przez nich EVs zawierają bioaktywne czynniki o działaniu przeciw-zwłóknieniowym. Rezultaty ich badań, przeprowadzonych na liniach komórkowych, wskazują na istotne obniżenie parametrów fibrozy w modelach zwłóknienia serca płuc, trzustki i wątroby. Skuteczność działania nowego terapeutyka została potwierdzona również w żywym organizmie, z wykorzystaniem mysiego modelu zwłóknienia serca. Obecnie, naukowcy z Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii, Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ oraz z Wydziału Lekarskiego UJ CM prowadzą dalsze zaawansowane badania, aby potwierdzić korzystne efekty anty-zwłóknieniowe w modelach zwierzęcych zwłóknienia płuc, wątroby i trzustki.
Produkty inżynierii tkankowej Banku Komórek UJ
Z kolei w działającym na Wydziale Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ Banku Komórek naukowcy prowadzą badania nad nową generacją leków – produktami inżynierii tkankowej i ich potencjalnym wykorzystaniem w medycynie regeneracyjnej w leczeniu ubytków skóry i w tworzeniu bardziej skomplikowanych substytutów tego narządu. W laboratorium tym, w oparciu o najwyższej standardy wytwórni farmaceutycznej (GMP) wytwarzane są produkty lecznicze terapii zaawansowanej (ang. Advanced Therapy Medicinal Products – ATMP) służące ratowaniu zdrowia i życia pacjentów, u których tradycyjne metody leczenia nie przyniosły efektu. W tym celu prowadzone są tutaj m.in. hodowle komórek skóry ludzkiej, które wykorzystywane są klinicznie do regeneracji rozległych i przewlekłych ran oparzeniowych.
Biomateriał do leczenia ubytków kostnych
Grupa naukowczyń z Wydziału Chemii UJ opracowała wielofunkcyjny materiał, którego przeznaczeniem jest udoskonalenie metod leczenia osteoporozy oraz niwelowanie niedużych ubytków kostnych. Jedną z chorób cywilizacyjnych jest osteoporoza, która jest dysfunkcją układu kostnego powodującą zmniejszenie gęstości tkanki kostnej, co przyczynia się do osłabienia kości i narażenia na ich złamania. Opracowany hydrożelowy materiał wstrzykuje się w miejsce ubytku kości, gdzie ze względu na swój skład i strukturę trwale wiąże się do tkanki kostnej i pełnił funkcje rusztowania dla nowych komórek budujących tkankę kostną. Ponadto, biomateriał stanowi nośnik leku na osteoporozę, a ze względu na jego postać wstrzykiwalną zapewnia niskoinwazyjną kontrolowaną lokalizację substancji terapeutycznej w miejscu implantacji. Z jednej strony materiał umożliwia powstanie nowej tkanki kostnej, a z drugiej maksymalizuje podanie dawki leku wyłącznie w chore miejscu, zwiększając w ten sposób efekt terapii. Należy podkreślić, iż nowa metoda terapeutyczna również umożliwiłaby ograniczenie ogólnoustrojowych skutków ubocznych w procesie leczenia osteoporozy.
Opracowany materiał nawiązuje do naturalnego składu tkanki kostnej, ponieważ otrzymuje się go poprzez zawieszenie mezoporowatych cząstek krzemionkowo-apatytowych z przyłączoną do ich powierzchni substancją terapeutyczną w hydrożelowej biopolimerowej matrycy (składającej się z kolagenu, chitozanu, kwasu hialuronowego). Badania in vitro na modelu mysim wykazały, że można go wstrzyknąć i nie wywołuje efektu toksycznego. Ponadto, w miejscu podania zachodzi naturalna angiogenaza, czyli powstają włosowate naczynia krwionośne. Istotne jest również to, że stanowi dogodną biomatryce dla zasiedlania przez komórki osteoblastyczne oraz wykazuje pożądane właściwości mechaniczne. Opracowany materiał, oprócz leczenia i odbudowy ubytków kostnych spowodowanych osteoporozą, może zostać wykorzystany we wspomaganiu leczenia niewielkich ubytków ortopedycznych oraz stomatologicznych (np. ubytki kości szczęki po ekstrakcji zębów). Obecnie prowadzone są dalsze badania oraz poszukiwania inwestora, który zaangażowałby się w dalszy rozwój technologii i w niezbędne do przeprowadzenia badania kliniczne.
Na Uniwersytecie Jagiellońskim rozwój technologii dotyczącej tematu regeneracji również bardzo prężnie rozwija się w naukach społecznych i koncentruje się na zrozumieniu procesów regeneracyjnych w kontekście społecznym, ekonomicznym i kulturowym. Szereg tematów badawczych podejmowanych w aspekcie szeroko rozumianego procesu regeneracji doprowadziło do pomysłu organizacji cyklu spotkań, w tym spotkań branżowych, prezentujących rezultaty badań zespołów naukowych i przełomowych odkryć w tym zakresie. Na pierwszy z nich zapraszamy już 10-tego grudnia! Jeszcze w tym roku podczas spotkania „Branch z Innowacjami.” zostaną zaprezentowane wynalazki i technologie z zakresu medycyny regeneracyjnej. Zapraszamy!
Po więcej informacji odwiedź profil Uniwersytetu Jagiellońskiego na Platformie Współpracy LSOS.
Materiały do powyższego artykułu zostały dostarczone przez Uniwersytet Jagielloński.
Zdjęcie: depositephotos.com