Optymalizacja złożonych biokompatybilnych rusztowań opartych o grafen oraz zdefiniowane populacje komórek macierzystych dla celów regeneracji tkanek

Dysfunkcje układu krążenia należą do chorób cywilizacyjnych XXI wieku i stanowią częstą przyczynę zgonów w krajach rozwiniętych. W Polsce odpowiedzialne są za około połowę ogółu zgonów, przy czym największy odsetek stanowią zawały serca. W wyniku zawału dochodzi do niedotlenienia fragmentu serca, na skutek którego następuje lokalna martwica tkanki. W konsekwencji prowadzi ona do powstania blizny upośledzającej prawidłowe funkcjonowanie serca.

Pomimo intensywnego rozwoju medycyny regeneracyjnej, wciąż nie opracowano skutecznej metody leczenia uszkodzonej tkanki, powstałej w następstwie przebytego zawału. Stąd też istnieje konieczność poszukiwania alternatywnych terapii mających na celu poprawę jakości życia pacjentów cierpiących na niewydolność serca. Obecnie wiele nadziei budzą badania związane z wykorzystaniem komórek macierzystych (KM) w terapii chorób układu krążeniowego. Ich zastosowanie wiąże się z koniecznością uprzedniego zróżnicowania ich w komórki tkanki sercowej, zanim zostaną podane do miejsca uszkodzenia.

Jednym z obiecujących typów KM stosowanych w medycynie regeneracyjnej są macierzyste komórki mezenchymalne (ang. mesenchymal stem cells; MSC). Komórki te mogą być pozyskiwane z różnych źródeł, w tym ze sznura pępowinowego, szpiku kostnego, tkanki tłuszczowej czy też krwi obwodowej. Stanowią łatwą do izolacji i hodowli populację KM, charakteryzującą się wysokim potencjałem do różnicowania. Dodatkowo posiadają niską immunogenność, a ich wykorzystanie nie budzi dylematów natury etycznej. MSC mogą promować mechanizmy naprawcze w obrębie uszkodzonej tkanki zarówno bezpośrednio poprzez ich różnicowanie, jak i pośrednio w wyniku wydzielania biologicznie aktywnych czynników, w tym mikrofragmentów (ang. microvesicles; MVs). Są to obłonione pęcherzyki o średnicy od 50 nm do 1µm, uwalniane z powierzchni komórek, będące nośnikami bioaktywnych czynników m.in. w postaci białek i kwasów nukleinowych.

W celu zwiększenia skuteczności stosowanych obecnie terapii, stosuje się szereg procedur różnicowania KM, wykorzystujących m.in. osiągnięcia współczesnej inżynierii biomateriałowej. Jednym z obiecujących materiałów o potencjalnym zastosowaniu w aplikacjach biomedycznych jest grafen. Jest to on zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną. Taka struktura nadaje mu wyjątkowe właściwości, które są wykorzystywane w wielu dziedzinach, w tym od niedawna w naukach medycznych. Jedną z nich jest wysoka efektywność interakcji z molekułami biologicznymi, umożliwiająca jego łatwą modyfikację zwiększającą spektrum możliwych zastosowań. Celem naszego projektu jest nowatorskie wykorzystanie podłoży hodowlanych, opartych o pochodne grafenu, jako induktorów różnicowania ludzkich MSC (ang. human MSC; hMSC) w kierunku tkanki sercowej. Badania będą miały na celu opracowanie optymalnej metody otrzymywania pochodnych grafenu oraz analizy ich właściwości biologicznych i fizykochemicznych. Ponadto zbadany zostanie wpływ innowacyjnych kompozytów, powstałych w wyniku dołączenia biologicznie aktywnych grup funkcyjnych do powierzchni grafenu, na żywotność, morfologię i potencjał hMSC do stymulowania procesów regeneracji uszkodzonej tkanki sercowej. Sprawdzona również zostanie aktywność MVs pochodzących z komórek hMSC hodowanych na podłożach grafenowych, jako bezpiecznej alternatywy zastępującej terapię komórkową.

Projekt zakłada interdyscyplinarną współpracę pomiędzy dwoma wiodącymi ośrodkami badawczymi w Polsce: Uniwersytetem Jagiellońskim w Krakowie oraz Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Połączenie zdobyczy współczesnej chemii i biologii molekularnej umożliwi przeprowadzenie międzydziedzinowych badań skutkujących utworzeniem unikalnych biokompozytowych pochodnych grafenu, znajdujących zastosowanie we współczesnej medycynie regeneracyjnej.