Innowacyjny system do testowania związków chemicznych (w szczególności leków) na komórkach ludzkich i zwierzęcych w oparciu o mikroprzepływy

Czy w laboratorium można odtworzyć warunki panujące w organizmie?

Środowisko wewnętrzne żywego organizmu jest niezwykle skomplikowane, dlatego tradycyjne podejście do eksperymentów biologicznych, wykonywanych w laboratorium nie zawsze się sprawdza. Komórki, budujące poszczególne tkanki organizmu, są zawieszone w macierzy zewnątrzkomórkowej, a wymiana wszelkich substancji (np. składników odżywczych, związków sygnałowych, produktów przemiany materii) pomiędzy komórkami a ich otoczeniem odbywa się najczęściej na drodze dyfuzji. Jak odtworzyć w warunkach in-vitro mikroprzepływy? Temu celowi służy miniaturowe urządzenie do hodowli komórek, opracowane przez zespół złożony z ekspertów w dziedzinach inżynierii biomedycznej, chemii i automatyki pod przewodnictwem dr. hab. inż. Sebastiana Studenta prof. Politechniki Śląskiej, z Katedry Inżynierii i Biologii Systemów. Konstrukcja ta posiada specjalnie mikrokomory, w których hoduje się komórki, wypełnione hydrożelem wykazującym fizyczne podobieństwo do macierzy zewnątrzkomórkowej i imituje naturalne środowisko wzrostu komórek. Technologia ta może służyć np. do testowania nowych leków. W ramach projektu Proof of Concept finansowanego z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG) przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej naukowiec wraz z zespołem planują dostosować to urządzenie do wymogów produkcji masowej.

„Opracowane przez nas urządzenie pozwala na prowadzenie hodowli komórkowej w mikrokomorach, obserwacje pojedynczych komórek oraz badanie wpływu różnych substancji (w  tym leków) na komórki, a wszystko to w warunkach przypominających warunki panujące w organizmach żywych, zapewnionych przez unieruchomienie komórek w specjalnej matrycy hydrożelowej.  Co bardzo istotne, nasze urządzenie, dzięki swojej budowie, zapewnia ciągłą wymianę medium, w którym umieszczone są komórki, wykorzystując zjawisko dyfuzji. Hydrożel, zastosowany jako macierz otaczająca komórki, charakteryzuje się termoczułością i ulega przemianie fazowej w temperaturze około 30°C. Umożliwia to sporządzenie zawiesiny komórek w temperaturze pokojowej i jej wprowadzenie do komór inkubacyjnych urządzenia mikroprzepływowego, a następnie bezinwazyjne otoczenie komórek porowatą matrycą hydrożelową w wyniku termożelowania po umieszczeniu w temperaturze hodowli, wynoszącej 37°C. W naszym wynalazku, dzięki specjalnie zaprojektowanej błonie, w budowanym mikroukładzie można hodować różne typy komórek ludzkich w bezpośrednim sąsiedztwie, co pozwala na badanie interakcji komórkowych w obecności leku. Kolejną zaletą naszego urządzenia jest możliwość precyzyjnego sterowania warunkami, takimi jak temperatura czy stężenie dwutlenku węgla. Technologia mikroprzepływowa umożliwia precyzyjne badanie zachowania komórek w warunkach niemożliwych do osiągnięcia przy użyciu narzędzi makroskopowych. System pozwala na obserwację w czasie rzeczywistym oraz na automatyczną rejestrację obrazów dzięki wykorzystaniu mikroskopii przyżyciowej” – wyjaśnia prof. Sebastian Student.

Aktualnie trwają prace nad dostosowaniem platformy mikroprzepływowej do produkcji seryjnej.  W tym celu interdyscyplinarny zespół badawczy zaprojektuje i wytworzy prototyp systemu mikroprzepływowego, do budowy którego zostanie wykorzystany popularny w przemyśle i łatwo dostępny polimer PMMA, potocznie nazywany plexi. Plan działań obejmuje budowę mikroukładu do testowania leków i badania wpływu mikrośrodowiska komórkowego, stworzenie numerycznego modelu procesu dyfuzji, opracowanie oprogramowania sterującego przepływem, syntezę i charakterystykę termoczułego hydrożelu, a także przeprowadzenie serii eksperymentów biologicznych oraz kompleksowej analizy danych. Model numeryczny pozwoli na wirtualne testowanie systemu przed wdrożeniem do produkcji.

„Nasza technologia może mieć zastosowanie w szeroko pojętych badaniach biomedycznych (nie tylko w badaniach reakcji komórek na podawany lek), przyczyniając się do rozwoju personalizowanej medycyny oraz do ograniczenia liczby eksperymentów przeprowadzanych na zwierzętach” –podsumowuje prof. Sebastian Student.

Dr hab. Sebastian Student, prof. Politechniki Śląskiej jest inżynierem biomedycznym. Pracę doktorską oraz rozprawę habilitacyjną obronił na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej. W swojej pracy naukowej skupia się na zastosowaniu wiedzy i narzędzi inżynierii biomedycznej do budowy różnych systemów na potrzeby diagnostyki i leczenia chorób cywilizacyjnych. Jest autorem lub współautorem 195 publikacji i laureatem kilku nagród, m.in:  Śląskiej Nagrody Naukowej 2023. Za wcześniejsze badania nad urządzeniem mikroprzepływowym do hodowli komórkowej i testowania leków otrzymał, wraz z zespołem, nagrodę w konkursie Innowator Śląska, Złoty Medal INTARG oraz wyróżnienie w kategorii Innowacje i Wdrożenia w 3. edycji konkursu „Perspektywy Medycyny”. Od 2024 r. pełni funkcję dyrektora Centrum Biotechnologii Politechniki Śląskiej w Gliwicach.