– Wizja wytwarzania spersonalizowanych tkanek i specyficznych dla pacjenta ludzkich organów – wątroby, płuc, nerek, a także tkanki serca – przez lata była marzeniem nowoczesnej medycyny. Dopiero niedawno biodruk 3D, technologia komórek macierzystych, jak i szeroka skala ich produkcji osiągnęły poziom, na którym marzenie to jest w zasięgu ręki – przekonuje dr Jagoda Litowczenko-Cybulska z Centrum NanoBioMedycznego. Naukowczyni wraz ze swoim zespołem badawczym tworzy nową linię skoncentrowaną na biodruku 3D. Łączna wartość zdobytego przez nią finansowania to ponad 3,3 mln zł.
Biodruk 3D to technologia druku 3D, która zamiast plastiku wykorzystuje żywe komórki zawieszone w specjalnie dobranym biomateriale, najczęściej w formie hydrożelu, tworząc warstwa po warstwie skomplikowane struktury przestrzenne formujące tkanki. Kluczowym osiągnięciem nowoczesnej technologii jest możliwość drukowania naczyń krwionośnych oraz ich integracja w tkankach. Dzięki temu naukowcy mogą tworzyć duże i grube tkanki, które są na tyle funkcjonalne, że mogą być wykorzystane w transplantologii. To pozwala sądzić, że era biofabrykacji organów już się zaczęła.
– W kierowanych przeze mnie projektach badawczych skupiam się na biodruku 3D. Chciałabym opracować nowatorskie, nowoczesne implanty, oparte na nowych kompozycjach hydrożelowych, które pozwolą na biodruk 3D tkanek miękkich w dużej skali – tłumaczy dr Litowczenko-Cybulska.
Mimo młodego wieku dr Jagoda Litowczenko-Cybulska ma już spore doświadczenie naukowe. Jak mówi, jej fascynacja inżynierią materiałową zaczęła się w trakcie pracy nad doktoratem na Wydziale Biologii UAM. Od zawsze interesowały ją nowe materiały i biofabrykacja, postanowiła więc, że swoje pierwsze badania przeprowadzi w Centrum NanoBioMedycznym. Pieniądze na ich realizację zdobyła w 2017 roku w ramach konkursu NCN Preludium. Grant dotyczył wytwarzania materiałów kompozytowych na bazie nanomateriałów węglowych o zróżnicowanej topografii powierzchni oraz badania ich wpływu na wzrost komórek neuralnych. Projekt ten pozwolił ambitnej naukowczyni w 2020 roku obronić tytuł doktora nauk ścisłych i przyrodniczych.
Krótko po tym dr Litowczenko-Cybulska zdobyła finansowanie na kolejny projekt, tym razem w wysokości prawie 1 mln zł.
– To był mój pierwszy projekt badawczy dotyczący druku 3D. Otrzymałam go z funduszy Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach Norweskiego Mechanizmu Finansowego. Dotyczył wytworzenia neurotub do zwiększonej regeneracji nerwów obwodowych. Dzięki pozyskanym środkom w ramach tego projektu mogłam w 2022 roku zakupić biodrukarkę 3D z komorą laminarną i utworzyć nową linię badawczą w Centrum NanoBioMedycznym.
zob. też. Prof. Emerson Coy. Cud polidopaminy
Interdyscyplinarne doświadczenie pozwoliły dr Litowczenko-Cybulskiej uzyskać prestiżowy grant Marie Curie Individual Fellowship finansowany przez Komisję Europejską, w którym skoncentrowała się na wytwarzaniu konstruktów naczyniowych z wykorzystaniem nowych biotuszy do biodruku 3D hydrożeli zawierających komórki uzyskane z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSCs). Grant realizowany był w Barcelonie we współpracy z profesorem medycyny, dyrektorem Programu Medycyny Regeneracyjnej, Angelem Rayą z Bellvitge Biomedical Research Institute (IDIBELL). Warto podkreślić, że projekt ten otrzymał wyjątkowo wysoką ocenę: 98,80 na 100, co stanowi wybitne osiągnięcie nie tylko w skali Polski.
– W projekcie zajmowałam się biodrukiem 3D dużych naczyń krwionośnych oraz różnicowaniem iPSCs do komórek budujących naczynia krwionośne. Opracowane duże naczynia krwionośne potencjalnie mogą być stosowane jako model aorty w badaniach przedklinicznych. Dzięki temu doświadczeniu nabyłam unikatowych umiejętności z zakresu hodowli i różnicowania iPSCs, wytwarzania własnych kompozycji biotuszy i biodruku 3D. Aby z sukcesem zrealizować projekt, w ramach grantu współpracowałam nie tylko z naukowcami z IDIBELL, ale i odbyłam staże na University College London i Universidad de Valladolid, a także objęłam promotorstwo studenta z Technische Universität Dortmund, co pozwoliło mi na sprawną realizację projektu.
Po zakończeniu projektu w marcu tego roku dr Litowczenko-Cybulska wróciła z Barcelony i stanęła na czele grupy badawczej Biomaterials & Biofabricaton, z którą zamierza rozwijać wspomnianą wcześniej nową linię badawczą w CNBM. Otrzymała też finansowanie kolejnego projektu badawczego, który pozwoli jej rozwinąć grupę badawczą.
Sonata to już czwarty projekt dotyczący biodruku 3D tkanek miękkich, którym kieruje dr Litowczenko-Cybulska. Jego celem jest wytworzenie innowacyjnych biodrukowanych 3D implantów, które będą pełnić funkcję biokompatybilnych i biomimetycznych konstruktów zawierających ludzkie komórki mięśnia sercowego (kardiomiocyty) i komórki śródbłonka. W tym celu naukowcy zamierzają opracować nowatorski hydrożel oparty na fibroinie jedwabiu – białku, które występuje w jedwabiu produkowanym głównie przez udomowione jedwabniki morwowe Bombyx mori. Zaletą jego zastosowania jest duża wytrzymałość i sprężystość. Konstrukty sercowo-naczyniowe o tak nietypowym kształcie tubek będą hodowane w specjalnie zaprojektowanym bioreaktorze. Wyniki badań mają znaleźć potencjalne zastosowanie kliniczne, dlatego naukowcy nie tylko będą analizować interakcje komórka-hydrożel i komórka-komórka, ale również przeprowadzą badania imitujące przepływ krwi przez światło konstruktu naczyniowego.
Na pytanie o potencjalne zastosowanie tych badań dr Litowczenko-Cybulska przytacza statystyki. Choroby sercowo-naczyniowe (CVD) to jedna z głównych przyczyn śmierci na świecie. Rocznie powodują one około 18 milionów zgonów. „CVD” to ogólny termin obejmujący szeroki zakres zaburzeń serca i naczyń krwionośnych, które najczęściej dotykają osób powyżej 60. roku życia. Wrodzona wada serca (CHD) jest jednym z powodów przewlekłych CVD, jest też jedną z najczęstszych patologii u niemowląt. Jedna czwarta dzieci dotkniętych wrodzoną wadą serca będzie wymagać poważnych operacji rekonstrukcyjnych w ciągu swojego życia. Pomimo znaczących postępów w ich leczeniu w ostatnich dziesięcioleciach, wady te pozostają główną przyczyną zgonów w okresie noworodkowym.
W leczeniu CHD stosuje się protezy naczyniowe wykonane z materiałów syntetycznych, które są podatne na zwężenia, zakrzepy i infekcje. Stwierdzono, że wskaźniki niepowodzeń przeszczepów w perspektywie 10 lat wynoszą od 70 aż do 100%. Dlatego pacjenci wymagają serii reoperacji w celu wymiany nieskutecznych przeszczepów. Inżynieria tkankowa naczyń stanowi potencjalne rozwiązanie tych ograniczeń.
– Obecnie protezy naczyniowe są wykorzystywane w leczeniu osób dorosłych. W przypadku dzieci to rozwiązanie się nie sprawdza. Syntetyczne przeszczepy nie mają zdolności do wzrostu i przebudowy, co w konsekwencji sprawia, że konieczne są kolejne operacje. Wykorzystanie komórek macierzystych może pokonać to ograniczenie, dostarczając komórek pochodzących od samego pacjenta. Inżynieria tkankowa oferuje obiecujące rozwiązanie polegające na wytworzeniu przeszczepów naczyniowych przy użyciu rusztowań komórkowych i komórek pochodzących od dziecka, które w przyszłości będą remodelować naczynie i wzrastać wraz z pacjentem, bez konieczności następnych operacji – mówi naukowczyni.
– Kolejnym ważnym aspektem, na który kładziemy nacisk w mojej grupie badawczej, jest wytworzenie warstwy nabłonka w świetle konstruktów. Najczęstszym powodem pooperacyjnych powikłań pacjentów z chorobami sercowo-naczyniowymi, w każdym wieku, jest niewydolność naczyniowa. Jej główną przyczyną jest właśnie brak funkcjonalnego śródbłonka, cienkiej warstwy komórek wyściełających wnętrze naczyń krwionośnych – dodaje badaczka.
Jak podkreśla dr Litowczenko-Cybulska, projekt, który właśnie realizuje, ma na celu stworzenie stabilnej protezy komórkowej, która może być wykorzystana w długotrwałej hodowli jako model do testowania lub leczenia chorób sercowo-naczyniowych w przyszłości.
– Projekt realizujemy w CNBM we współpracy z renomowanymi, w dziedzinie biofabrykacji i inżynierii tkankowej, naukowcami z całego świata. Wspólnie z naukowcami z University of Michigan opracowujemy unikatowe podłoża do ukierunkowanej hodowli komórek uzyskanych z iPSC. W ramach projektu współpracujemy również z Bellvitge Biomedical Research Institute w Barcelonie, a także innymi ośrodkami naukowymi, między innymi z University of Colorado Boulder czy École polytechnique w Paryżu. Zdobyte doświadczenie nauczyło mnie, że podstawą sukcesu w nauce jest współpraca. Bardzo sobie to cenię, ponieważ poprzez współpracę ze specjalistami z zagranicznych ośrodków badawczych mogę czerpać wiedzę i inspirację do badań. Będę się starać przekazać to członkom mojego zespołu. Bardzo zależy mi również na budowaniu więzi naukowych z naukowcami z Centrum NanoBioMedycznego i Centrum Zaawansowanych Technologii, między innymi na współpracy z grupą prof. UAM Emersona Coya, którego doświadczenie i wiedza umożliwiają mi zgłębianie zagadnień z zakresu badań mechanicznych. Współpracuję również z naukowcami specjalizującymi się w badaniach NMR oraz analizach bioinformatycznych, między innymi z grupą badawczą prof. UAM Kosmy Szutkowskiego – jego ekspertyza pozwala na skrupulatne poznanie struktury i interakcji molekularnych w zaprojektowanych układach białkowych, które wykorzystujemy do wytwarzania hydrożeli. Jest to kluczowe, ponieważ musimy mieć pewność, że układy, które stosujemy jako biotusze, są wysoce powtarzalne, co przekłada się na przewidywalną odpowiedź biologiczną – wyjaśnia badaczka.
