ZESPÓŁ AUTORSKI

Politechnika Wrocławska

Kierownik zespołu: dr inż. Roman Szafran, Politechnika Wrocławska,
dr inż. Agnieszka Pawłowska, Politechnika Wrocławska,
dr hab. prof. nadzw. Urszula Lewandowska, Uniwersytet Medyczny w Łodzi,
prof. dr hab. Jakub Fichna, Uniwersytet Medyczny w Łodzi

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie mikrofluidalne - bioczip do prowadzenia hodowli komórkowych w warunkach przepływowych, który znajduje zastosowanie zarówno w badaniach przedklinicznych leków, jako zaawansowany model tkanki dowolnego narządu, jak również w onkologicznych terapiach spersonalizowanych. Jest to narzędzie umożliwiające wytworzenie zindywidualizowanego pozaustrojowego modelu zmiany nowotworowej pacjenta oraz indywidualny dobór metody leczenia na podstawie badań z jej wykorzystaniem, w tym chemioterapii, immunoterapii, radiacji oraz metod łączonych dla zmian opornych na leczenie pierwotne. Mikrofluidalne układy do hodowli tkankowych dają możliwość ograniczenia wykorzystania modeli zwierzęcych w badaniach nowych leków oraz przyspieszenia badań przedklinicznych dzięki wysokiej powtarzalności ich wyników i zgodności sztucznych tkanek z materiałem genetycznym człowieka. Najbardziej złożone modele mikrofluidalne odwzorowują specyficzne właściwości tkanek płuc, wątroby, nerek oraz zmian nowotworowych dając możliwość prowadzenia badań farmakokinetycznych i farmakodynamicznych nowych leków in silico.

ISTOTA WYNALAZKU

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania urządzenia mikrofluidalnego (bioczipu) do prowadzenia hodowli tkankowych w układzie przepływowym oraz prowadzenia badań procesów biologicznych przebiegających w obrębie sztucznych tkanek. Mikrourządzenia tego typu znajdują zastosowanie w biologii, medycynie, farmacji, biotechnologii, inżynierii biomedycznej i inżynierii tkankowej do prowadzenia badań mechanizmów różnicowania komórek oraz sposobów sygnalizacji międzykomórkowej, badań odpowiedzi tkanek na uszkodzenia o podłożu fizycznym, chemicznym i biologicznym oraz wzrostu tkanki nowotworowej w obecności czynników bioaktywnych i cytostatyków. Urządzenia te umożliwiają wytworzenie in silico warunków dynamicznych będących efektem przepływu płynu w naczyniach układu krwionośnego i limfatycznego oraz w obrębie macierzy zewnątrzkomórkowej, naśladujących zjawiska obecne w organizmach żywych, a niemożliwe do odwzorowania in vitro podczas klasycznych hodowli tkankowych: kulturach zawiesinowych, na podłożach stałych i rusztowaniach.

Inżynieria sztucznych tkanek jest przyszłościową dziedziną dającą nadzieję na rozwiązanie problemów pacjentów cierpiących z powodu nieodwracalnych uszkodzeń narządów będących następstwem chorób, urazów oraz ich degeneracji. Obecnie trójwymiarowe struktury tkankowe wytwarzane są na bazie porowatych rusztowań, w których wnętrzu zamykane są komórki. Rusztowania te pełnią rolę syntetycznej macierzy zewnątrzkomórkowej i umożliwiają przestrzenną organizację komórek oraz odpowiadają za dostarczanie bodźców fizykochemicznych stymulujących podziały i wzrost komórek w ich obrębie. Technika ta wykorzystana została do wytworzenia wąskiej grupy syntetycznych tkanek, które nie wymagają złożonej struktury naczyniowej: tkanki chrzęstnej i skóry. Wytwarzanie tkanek o złożonej strukturze naczyniowej np. serca czy wątroby napotyka na duże trudności z uwagi na niemożliwość uformowania funkcjonalnej sieci naczyń krwionośnych w ich obrębie, zdolnej do prawidłowego ich odżywiania i natlenienia. Z tego względu obecnie głównym wyzwaniem inżynierii tkankowej jest opracowanie metody formowania naczyń krwionośnych wewnątrz sztucznej tkanki, zdolnych do podtrzymania prawidłowej aktywności komórek.

Opracowane urządzenie mikrofluidalne umożliwia prowadzenie hodowli tkankowych oraz w ich obrębie bezpośrednie wytwarzanie złożonych, trójwymiarowych, stabilnych i rozgałęzionych struktur naczyniowych wysokiego poziomu o zadanej, powtarzalnej średnicy i przestrzennym rozkładzie dzięki ich formowaniu hydrodynamicznemu, w warstwach hydrożelowych i bez potrzeby stosowania półprzepuszczalnych membran, a jednocześnie umożliwia spontaniczne, samoistne formowanie naczyń włosowatych w obrębie hodowanych tkanek w obecności czynników proangiogennych.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Wdrożenie wynalazku możliwe jest do przeprowadzenia z udziałem firm produkujących sprzęt medyczny oraz urządzenia jednorazowego użytku do zastosowań medycznych, firm farmaceutycznych, a docelowo klinik medycznych zainteresowanych wdrożeniem spersonalizowanych metod leczenia. Zgodnie z raportem Frost & Sullivan, 2014; rynek urządzeń lab-on-czip (LOC) będzie systematycznie rósł, by w okresie 2008 – 2018 potroić swoją wartość i osiągnąć 6,5 miliarda dolarów. Największym segmentem rynku pozostanie R&D odpowiedzialny za 60% wartości. Drugim największym segmentem będzie segment badań klinicznych. Choroby nowotworowe są drugim powodem zgonów na świecie. W roku 2016 odnotowano niemal 1,7 miliona nowych przypadków zachorowań i niemal 600 tys. zgonów w USA. Przewiduje się, że liczba zachorowań w kolejnych latach będzie systematycznie rosła, by w roku 2025 osiągnąć niemal 19 milionów nowych zachorowań. Wydatki na leczenie chorób nowotworowych w USA osiągnęły 125 miliardów dolarów w 2010 i przewiduje się, że mogą osiągnąć 156 miliardów w 2020 roku. Wynalazek chroniony jest dwoma zgłoszeniami patentowymi, krajowym PL420395 i międzynarodowym WO 2018143831 A1.