ZESPÓŁ AUTORSKI

Politechnika Wrocławska

Kierownik zespołu: dr inż. Roman Szafran, Politechnika Wrocławska,
prof. dr hab. Kazimierz Gąsiorowski, Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu,
dr Katarzyna Gębczak, Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu,
mgr inż. Benita Wiatrak, Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu.

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie mikrofluidalne do szybkiego screeningu leków i substancji bioaktywnych (testów przesiewowych), znajdujące zastosowanie na różnych etapach badań nad nowymi lekami. Urządzenie umożliwia prowadzenie testów jednocześnie dla nieskończonej liczby rozcieńczeń (w ciągłym gradiencie) substancji, w analogiczny sposób jak na płytkach wielodołkowych. Technologia mikrofluidalna może zastąpić z powodzeniem dwa standardowe etapy testów przedklinicznych: screening i walidację potencjalnych substancji leczniczych, a także prowadzi do skrócenia czasu badań, poprawia ich efektywność, zmniejsza zużycie odczynników oraz umożliwia łatwą automatyzację badań.

ISTOTA WYNALAZKU

Mikrosystem znajduje zastosowanie w biologii, medycynie, farmacji, biotechnologii i inżynierii biomedycznej. Konstrukcja bioczipu umożliwia jednoczesne prowadzenie hodowli kontrolnej (tzw. ślepa próba) oraz hodowli właściwej w stabilnym gradiencie substancji aktywnej o ultraniskim stężeniu oraz ciągłą, pośrednią detekcję tego stężenia dzięki wykorzystaniu komory wskaźnikowej. W szczególności, urządzenie umożliwia wytworzenie mikrośrodowiska właściwego do prowadzenia badań podstawowych: proliferacji, wzrostu i różnicowania komórek, odpowiedzi immunologicznej, leczenia uszkodzeń, embriogenezy oraz metastazy nowotworowej – zjawisk zależnych od gradientów molekularnych.

Procedura screeningu substancji leczniczych wymaga przeprowadzenia szeregu testów z wykorzystaniem wielu ich stężeń w celu określenia odpowiedzi komórkowej na badaną substancję. W konwencjonalnych systemach badania wykonywane są na płytkach wielodołkowych w homogennym środowisku z wykorzystaniem wielu uprzednio przygotowanych rozcieńczeń. Integracja generatora gradientu z komorą hodowlaną w urządzeniu mikrofluidalnym nie tylko pozwala na wyeliminowanie tych pracochłonnych i czasochłonnych etapów, ale przede wszystkim umożliwia prowadzenie hodowli w fizjologicznie występującym w organizmach żywych, ciągłym gradiencie substancji aktywnych. Komórki reagują na sygnały chemiczne w swoim otoczeniu poprzez wydzielanie czynników sygnałowych, które to z kolei wywierają wpływ na nią samą lub na inne komórki w ich otoczeniu. W wielu sytuacjach, np. w przypadku komórek nowotworowych podczas rozwoju oporności na leki, rekonstrukcja in vitro takich szlaków sygnałowych i gradientów biomolekuł (czynników wzrostu, hormonów lub cytokin) ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego zbadania odpowiedzi komórkowej na lek.

W czipie mikrofluidalnym gradienty te tworzone są w prosty, szybki i powtarzalny sposób dzięki wykorzystaniu zjawiska adwekcyjnego transportu masy, a hodowle i badania prowadzone są w warunkach stacjonarnych (nieprzepływowych), przez co naturalna sekrecja czynników biochemicznych przez komórki jest niezaburzona.

Opracowany mikrosystem do szybkiego ilościowego screeningu leków jest urządzeniem jednorazowego użytku, wolnym od PDMS, jest urządzeniem wielokanałowym o prostej, bezzaworowej konstrukcji, łatwym w sterylizacji i obsłudze. Metoda wytwarzania urządzenia może zostać w łatwy sposób zautomatyzowana i przeniesiona do masowej produkcji np. metodami wtryskowego formowania tworzyw sztucznych. Urządzenie jest zaprojektowane do współpracy z automatycznymi platformami do screeningu leków i nie wymaga przyłączenia żadnych zewnętrznych źródeł ciśnienia lub pomp. Proste kanały umożliwiają generowanie statycznych, liniowych gradientów substancji aktywnych w kilka sekund, w prosty i powtarzalny sposób, poprzez kilkakrotne, naprzemienne pochylenie płytki. Szerokie, długie kanały mikrosystemu zapewniają wystarczającą ilość przestrzeni do prowadzenia hodowli komórkowej w środowisku ciągłego, liniowego, wysokiej rozdzielczości gradientu biomolekuł, których początkowy i zmienny w czasie rozkład stężenia może być oznaczany w sposób pośredni, bez narażania komórek na kontakt z indykatorem. Konstrukcja wielokanałowa umożliwia jednoczesne przeprowadzenie do dwunastu testów odpowiedzi komórkowej, każdy w szerokim zakresie stężeń substancji aktywnej. Ograniczona wysokość kanałów pozwala na prowadzenie hodowli w warunkach ustalonych, zapobiegających usuwaniu wydzielanych czynników z otoczenia komórek, a także pozwala na prowadzenie badań z komórkami wrażliwymi na naprężenia ścinające. Zintegrowane zbiorniki płynów pozwalają na prowadzenie hodowli przez okres trzech dni w stabilnych warunkach. Czip mikrofluidalny przystosowany jest do współpracy z mikroskopem optycznym i epifluorescencyjnymi technikami obserwacji komórek.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Wdrożenie wynalazku możliwe jest do przeprowadzenia z udziałem firm produkujących sprzęt medyczny oraz urządzenia jednorazowego użytku do zastosowań medycznych, firm farmaceutycznych oraz przy udziale funduszy inwestycyjnych.Proces opracowania nowego leku jest długotrwałą i kosztowną procedurą, trwającą zazwyczaj ponad 10 lat i pochłaniającą średnio 353 milionów dolarów. Jeśli wliczy się w to koszty nieudanych prób, zakumulowane koszty wprowadzenia nowego leku biotechnologicznego na rynek wzrastają do 1395 milionów dolarów. Tylko jedna na dziesięć substancji, które po badaniach podstawowych trafia do badań przedklinicznych, przechodzi je z powodzeniem i wchodzi w pierwszą fazę badań klinicznych. Następnie jedynie 11.8% z nich przechodzi z powodzeniem trzy fazy badań klinicznych. Jedną trzecią z tych kosztów pochłaniają badania przedkliniczne. Pomimo tego, 50% substancji wchodzących w fazę testów klinicznych jest odrzucana z powodu niewystarczającej skuteczności in vivo. Rozwiązanie chronione jest pięcioma krajowymi wnioskami patentowymi: PL419754, PL419809, PL419814, PL419758, PL419813 oraz zgłoszeniem międzynarodowym WO 2018106132 A1.