Dwufazowy biomateriał do regeneracji ubytków chrzęstno-kostnych

Na temat dwufazowego biomateriału na bazie kurdlanu, izolatu białkowego oraz hydroksyapatytu do regeneracji ubytków chrzęstno-kostnych rozmawiamy z prof. dr hab. n. farm. Grażyną Ginalską, dr n. farm. Katarzyną Klimek, prof. uczelni z Katedry i Zakładu Biochemii i Biotechnologii oraz dr hab. n. med. Martą Tarczyńską-Osiniak, prof. uczelni z Katedry i Kliniki Ortopedii i Traumatologii Uniwersytetu Medycznego w Lublinie.

 

    

 

 

Ubytki chrzęstno-kostne stanowią jeden z najpoważniejszych, a zarazem jeden z najczęstszych problemów wśród pacjentów ortopedycznych, gdyż obejmują one nie tylko tkankę chrzęstną, ale także leżącą pod nią tkankę kostną podchrzęstną. Tkanka chrzęstna znacznie różni się od tkanki kostnej zarówno pod kątem kompozycji oraz właściwości strukturalnych, mechanicznych i biologicznych. Chrząstka, w przeciwieństwie do kości, charakteryzuje się niewielkimi zdolnościami regeneracyjnymi.

 

Defekty chrzęstno-kostne są defektami najgłębszymi i najcięższymi, jeżeli chodzi o uszkodzenia chrząstki stawowej. Standardową metodą leczenia defektów chrzęstno-kostnych jest stosowanie przeszczepów autograftów, czyli bloczków chrzęstno-kostnych, pobieranych podczas zabiegu plastyki mozaikowej. W ramach tej metody leczniczej, autografty pobierane są z obszarów nieobciążonych mechanicznie w kolanie pacjenta i następnie przeszczepiane w miejsce występującego defektu. Należy jednak podkreślić, że pomimo bardzo dobrych wyników terapeutycznych, jakie przynosi ta metoda, posiada ona również pewne ograniczenia. Przede wszystkim ilość możliwych do pobrania przeszczepów od jednego pacjenta jest niewielka, a ponadto każda dodatkowa interwencja chirurgiczna może wiązać się z powikłaniami oraz bólem odczuwanym przez chorego. Przeszczepy świeżych allograftów chrzęstno-kostnych pozyskiwanych od dawców wielonarządowych i przeszczepianych biorcom w ciągu 1-2 doby od ich pozyskania, mimo korzystnych wyników, nie są rozpowszechnioną metodą leczniczą. Dlatego też lekarze ortopedzi coraz częściej szukają biomateriałów, które mogłyby zastąpić autografty.

 

 

 

Pani Profesor, co jest istotą rozwiązania opracowanego w projekcie przedwdrożeniowym Inkubator Innowacyjności 4.0?

 

Grażyna Ginalska: Istotą rozwiązania jest uzyskanie prototypu biomimetycznego dwufazowego biomateriału powstałego na bazie naturalnego polisacharydu β-1,3-glukanu (kurdlanu), zawierającego dwie spójne fazy: górną – polimerową składającą się z kurdlanu i izolatu białka serwatkowego (WPI) oraz dolną – polimerowo-ceramiczną, zawierającą kurdlan, WPI i hydroksyapatyt (HAp). Przedmiotem wynalazku jest także sposób otrzymywania wymienionego materiału. Nowy dwufazowy biomateriał implantacyjny, określony przez nas jako OsteoChondral Graft, może mieć potencjalne zastosowanie do leczenia ubytków chrzęstno-kostnych w chorobach zwyrodnieniowych różnych stawów lub leczenia pourazowych ubytków połączeń stawowo-kostnych u sportowców, zarówno u dzieci, pacjentów dorosłych jak i osób starszych. Podczas realizacji projektu Inkubator 2.0 wykazaliśmy również, że preparat może mieć zastosowanie w weterynarii na przykładzie leczenia zwyrodnień wywołanych osteochondrozą u psów.

 

Jakie badania wykonane zostały w ramach prac przedwdrożeniowych?

 

Katarzyna Klimek: W laboratorium hodowli komórkowych Katedry Biochemii i Biotechnologii Uniwersytetu Medycznego w Lublinie wykonaliśmy niezbędne testy biologiczne in vitro, zgodne z procedurami ISO, które pozwoliły nam na oszacowanie cytotoksyczności i genotoksyczności badanego biomateriału OsteoChondral Graft.  Przeprowadzone badania obejmowały między innymi ocenę żywotności i proliferacji ludzkich chondrocytów pobranych od pacjentów ortopedycznych (za zgodą Komisji Bioetycznej przy UM w Lublinie) oraz ludzkich osteoblastów (pochodzących z Amerykańskiej Kolekcji Hodowli Komórkowych ATCC). Wykonane zostały również test mikrojądrowy oraz test Amesa, a także  oceniliśmy możliwość powstania aberracji chromosomowych, co pozwoliło nam na określenie, czy nowy biomateriał (OsteoChondral Graft) powoduje niekorzystne uszkodzenia genetyczne w badanych komórkach. Badaliśmy również odpowiedź ludzkich makrofagów na badany biomateriał in vitro, co pozwoliło z kolei ocenić, czy wytworzony materiał powoduje stan zapalny i przez jaki czas stan ten się utrzymuje. Wyżej wymienione analizy pozwoliły zatem na wstępną ocenę przydatności nowego preparatu chrzęstno-kostnego do celów medycznych.

 

Czy badania prowadzone były wyłącznie w warunkach laboratoryjnych, czy zrealizowane były również badania in vivo?

 

Grażyna Ginalska: Opracowany biomateriał docelowo ma być wyrobem medycznym, zarówno w medycynie ludzkiej, jak i w medycynie weterynaryjnej. Dlatego duża część badań zaplanowanych w projekcie przedwdrożeniowym była wykonana w celu spełnienia docelowych wymagań formalnych związanych z rejestracją tego typu wyrobów. Bardzo ważnym elementem badań było wykazanie pozytywnego działania prototypu implantacyjnego w organizmie – dlatego zrealizowano zabiegi in vivo w ramach terapii leczniczo-weterynaryjnej. W ostatnim etapie prac przedwdrożeniowych dokonano wszczepienia OsteoChondral Graft w miejscach ubytków chrzęstno-kostnych (stawy kolanowe) u psów z kulawizną w ramach eksperymentalnej terapii lekarsko-weterynaryjnej, niewymagającej zgody Komisji Etycznej.

 

Jakie są efekty wykonanych prac przedwdrożeniowych?

 

Katarzyna Klimek: Rezultatem przeprowadzonych prac w ramach tego projektu jest kompleksowa ocena in vitro oraz wstępna ocena in vivo biomateriału OsteoChondral Graft. Przeprowadzone badania in vitro wykazały, że biomateriał jest wysoce cytokompatybilny względem komórek ludzkich, nie wykazuje cytotoksyczności, wspiera wzrost i proliferację chondrocytów oraz osteoblastów, a także umożliwia komórkom syntezę charakterystycznych markerów chrzęstnych i kostnych. Ponadto, nie wykazuje on genotoksyczności oraz indukuje przejściowy stan zapalny in vitro. Z kolei eksperymentalne terapie weterynaryjne z udziałem pacjentów – młodych psów z kulawizną, wynikającą z osteochondrozy, wykazały że preparat wydaje się bezpieczny w warunkach in vivo.  Po zabiegu implantacji biomateriału zaobserwowano ustąpienie kulawizny u operowanych pacjentów. Według danych uzyskanych od właścicieli psów oraz obserwacji opiekującego się pacjentami lekarza weterynarii, psy nie kuleją, rosną i rozwijają się prawidłowo.

 

W jakich obszarach medycyny może znaleźć zastosowanie opracowany wynalazek? I jakie posiada właściwości?

 

Marta Tarczyńska-Osiniak: OsteoChondral Graft może znaleźć zastosowanie w ortopedii, chirurgii urazowej oraz weterynarii. Ten innowacyjny biomateriał implantacyjny, będący przedmiotem wynalazku,  na obecnym etapie badań ma dużą szansę stać się użytecznym implantem zastępującym w jednym module głębokie uszkodzenia powierzchni stawowych zarówno w części kostnej jak i chrzęstnej. To preparat polisacharydowo-białkowo-hydroksyapatytowy, czyli zawierający cukier złożony, izolat białkowy, a także fosforan wapnia, który wchodzi w skład tkanki kostnej. Biomimetyczność, czyli imitacja (naśladowanie) naturalnego kompleksu tkankowego chrząstki hyalinowej i kości przez ten biomateriał jest cechą innowacyjną. Ponadto nie zawiera on surowców pochodzenia zwierzęcego. Biomateriał OsteoChondral Graft posiada budowę dwufazową. Górna warstwa przypomina chrząstkę szklistą, a dolna tkankę kostną. Dwie fazy biomateriału są ze sobą spójne. W dotychczasowych badaniach mechanicznych nie rozwarstwiają się. Jest to cecha pożądana, czy wręcz niezbędna biomateriałów implantacyjnych kompleksu tkankowego chrząstka stawowa-kość. Warto także podkreślić wyjątkową łatwość implantacji biomateriału Osteochondral Graft. Jest to jego przewaga nad stosowanymi auto- i allograftami, czy też innymi materiałami dostępnymi na rynku. Zarówno auto- i allografty jak i komercyjne biomateriały dostępne są w określonych wielkościach i nie zawsze udaje się idealnie dopasować wielkość i grubość  warstwy chrzęstnej oraz wielkość i głębokość warstwy kostnej do ubytku pacjenta. W przypadku biomateriału OsteoChondral Graft, obie warstwy (górna – chrzęstna oraz dolna – kostna) mogą być z łatwością formowane mechanicznie do pożądanej wielkości za pomocą  narzędzi chirurgicznych, co sprawia, że biomateriał jest personalizowany dla każdego pacjenta.

 

Czy przygotowany w ramach prac przedwdrożeniowych implant jest bardziej implantem zwierzęcym, czy może zostać wykorzystany również w medycynie człowieka?

 

Grażyna Ginalska: Przygotowany w ramach projektu przedwdrożeniowego implant może być używany zarówno w weterynarii jak i medycynie ludzkiej. Dotychczasowe nasze badania objęły wyłącznie pacjentów weterynaryjnych, natomiast ze względu na pozytywne rezultaty, chcielibyśmy aby nasz preparat został przeznaczony do implantacji u pacjentów klinik ortopedycznych, cierpiących na zwyrodnienia chrzęstno-kostne, w ramach badań klinicznych. Na to jednak potrzebne są fundusze, których my jako naukowcy nie posiadamy. W weterynarii schorzeniem, dla którego przede wszystkim jest dedykowane nasze rozwiązanie, to osteochondroza występująca u psów, objawiająca się kulawizną. Jest to zaburzenie dotyczące chrząstek wzrostowych rosnących psów ras dużych i olbrzymich w wieku 6-9 miesięcy. Zmiany o charakterze osteochondrozy pojawiają się w ściśle określonych miejscach szkieletu, tam gdzie chrząstka podlega największym obciążeniom mechanicznym podczas pracy stawu. Zaburzenia chrzęstno-kostne pojawiają się także u innych pacjentów weterynaryjnych, więc potencjalne zastosowanie OsteoChondral Graft w chirurgii weterynaryjnej rozszerza się. Z kolei w przypadku ludzi, choroba zwyrodnieniowa stawów dotyka około 3,3-3,6 proc. światowej populacji. Jest to 11-ta najbardziej wyniszczająca choroba powodująca niepełnosprawność, od umiarkowanej do ciężkiej, u 43 milionów ludzi. Większość wysiłków klinicznych i badawczych koncentruje się obecnie na odbudowie uszkodzonej chrząstki. Jednak pierwszym pojawiającym się problemem jest wypełnienie ubytku tkanką, która ma takie same właściwości mechaniczne jak chrząstka stawowa. Drugim zaś jest promowanie udanej integracji między tkanką naprawczą, a natywną chrząstką stawową.

 

Czy sądzi Pani, że usługi weterynaryjne w Polsce będą się rozwijały?

 

Grażyna Ginalska: Dane z weterynaryjnych szpitali klinicznych sugerują, że osteochondroza stawowa została zdiagnozowana u około 3,7 proc. wszystkich psów, u których wystąpił problem ortopedyczny. Zaś u około 9 proc. psów w wieku poniżej 1 roku, które miały problemy ortopedyczne, zdiagnozowano osteochondrozę. W szczególności wymienione zaburzenia dotyczą rosnących psów ras dużych (nowofundland, berneńczyk, border collie, golden retriever, owczarek). Polska jest bardzo perspektywicznym rynkiem dla usług weterynaryjnych. Jest bowiem trzecim, co do wielkości, krajem Unii Europejskiej pod względem populacji psów. Ponadto trzeba wziąć pod uwagę również rynek europejski i światowy. Tak więc potencjalny rynek zbytu dla naszego biomateriału implantacyjnego OsteoChondral Graft w weterynarii jest duży, tym bardziej, że dedykowanych wymienionemu schorzeniu preparatów implantacyjnych dla zwierząt nie ma dużo na rynku, a jak są – to ich koszt jest wysoki, co także w przypadku właścicieli zwierząt, jest często przeszkodą istotną do podjęcia leczenia.

 

Czy w dotychczasowej pracy macie Państwo wdrożenia swoich wynalazków lub czy udało się Państwu pozyskać fundusze/ granty na rozwój wynalazków?

 

Grażyna Ginalska: Przyznaję, że mam doświadczenie pod kątem komercjalizacji wynalazków.  Patent, którego jestem współautorką, a dotyczący materiału kościozastępczego do implantacji w ubytki kostne został wdrożony przez Medical Inventi SA, uzyskał znak CE i obecnie jest produktem FlexiOss®, sprzedawanym i wykorzystywanych na oddziałach ortopedycznych w Polsce oraz na świecie. Są jeszcze dwie odmiany produktu: FlexiOss Dent® do wykorzystania w chirurgii stomatologicznej oraz FlexiOss Vet® do stosowania w zabiegach weterynaryjnych. Spółka ponadto zabezpieczyła ochronę wymienionego wyrobu medycznego w Europie, USA, Japonii i Australii oraz trwają prace nad uzyskaniem zgody na sprzedaż produktu na rynek amerykański i arabski. Udało nam się w ramach działalności wymienionej Spółki uzyskać finansowanie na działalność badawczą z grantów, bądź od inwestorów.

 

Jakie są dalsze plany na rozwój tego innowacyjnego rozwiązania?

 

Grażyna Ginalska: Oceniając uzyskane w trakcie badań rezultaty dotyczące oceny preparatu pod kątem medycznym można stwierdzić, że produkt OsteChondral Graft spełnił nasze oczekiwania, co do swoich własności biologicznych, jak też jako biomateriał do implantacji chrzęstno-kostnej. W związku z powyższym uważamy, że można prowadzić rozmowy z potencjalnym inwestorem branżowym w zakresie potencjalnej komercjalizacji produktu OsteoChondral Graft do zastosowań medycznych. W pierwszej kolejności to rynek ortopedii weterynaryjnej, ponieważ jest to prostsza droga niż przy wyrobach medycznych wykorzystywanych w medycynie ludzkiej. Wg Głównego Inspektoratu Weterynarii, oprócz testów podlegających Ustawie o ochronie zdrowia zwierząt oraz zwalczaniu chorób zakaźnych, nie ma regulacji dotyczącej wprowadzania wyrobu na rynek weterynaryjny. Tak więc współpraca  z lekarzami weterynarii – ortopedami oraz z firmami zaopatrzenia weterynaryjnego pozwoli na szersze możliwości wykorzystania naszego OsteoChondral Graft do wszczepień w przypadkach urazów kostno-stawowych u pacjentów weterynaryjnych. Taki też mamy plan. Natomiast w przypadku rejestracji wyrobu medycznego dla ludzi konieczne są korzystne wyniki z badań klinicznych, a dla nas badaczy, problemem jest brak funduszy na przeprowadzenie takich szeroko zakrojonych badań. Instytucje przeprowadzające ocenę preparatów pod kątem przyszłego dopuszczenia medycznego wyceniają swoje usługi na wysokim poziomie finansowym, który dla naukowców prowadzących badania na uczelniach są barierą. Tak więc uważamy, że dalsze losy wynalazku i jego dalszy rozwój mogą zależeć od decyzji władz na sprzedaż patentu firmie doświadczonej i zdolnej do wdrożenia produktu.

 

Dziękuję za rozmowę!

 

Rozmawiała Agnieszka Komarzeniec
Broker Innowacji w projekcie Inkubator Innowacyjności 4.0.
Centrum Transferu Wiedzy Uniwersytetu Medycznego w Lublinie

 

 

 

 

Rys. Dwufazowy biomateriał OsteoChondral Graft naśladujący standardowo stosowane autologiczne przeszczepy chrzęstno-kostne (autografty). Osteochondral Graft posiada kompozycję, strukturę oraz cechy biologiczne imitujące naturalną tkankę chrzęstno-kostną. Na rysunku przedstawiono biomateriał, który został docięty za pomocą skalpela chirurgicznego, tak aby wielkość warstwy chrzęstnej oraz wielkość warstwy kostnej skafoldu idealnie odwzorowywała wielkość naturalnych tkanek.

 

 

Firmy zainteresowane współpracą zapraszamy do kontaktu:
e-mail.: transfer.wiedzy@umlub.pl, tel. 81 448 51 63.

CTW

Centrum Transferu Wiedzy

Uniwersytetu Medycznego w Lublinie

Lublin 20-079, ul. Dolna 3 Maja 3

(budynek Graden, parter)

 

tel.: +48 81 448 5160

e-mail: transfer.wiedzy@umlub.pl

 
Dyrektor Centrum Transferu Wiedzy 

Agnieszka Komarzeniec

tel.: +48 81 448 5160

e-mail: agnieszka.komarzeniec@umlub.pl

 

 

Biuro Prorektora ds. Współpracy
z Otoczeniem Społeczno-Gospodarczym

 

Prorektor ds. Współpracy z Otoczeniem Społeczno-Gospodarczym

prof. dr hab. n. med. Jarosław Dudka

 

kontakt: Renata Horbaczewska
tel.: +48 81 448 5160
e-mail: prorektor.wspolpraca@umlub.pl

 

Social Media

 

ikona facebook  ikonka linked in

Centrum Transferu Wiedzy Uniwersytetu Medycznego w Lublinie