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 jedną z głównych przyczyn śmiertelności w krajach rozwiniętych. W Polsce szacuje się, że są odpowiedzialne za około połowę ogółu zgonów, przy czym najwyższy odsetek stanowią zawały mięśnia sercowego. W wyniku zawału dochodzi do niedotlenienia tkanek serca, na skutek którego następuje lokalna martwica miokardium, w konsekwencji prowadząca do powstania blizny upośledzającej prawidłowe funkcjonowanie serca.

Pomimo intensywnego rozwoju medycyny regeneracyjnej, wciąż nie opracowano skutecznej metody leczenia i substytucji uszkodzonej tkanki serca, powstałej w następstwie przebytego zawału. Stąd też wciąż istnieje konieczność dalszego poszukiwania alternatywnych terapii mających na celu regenerację serca, a co za tym idzie poprawę jakości życia pacjentów cierpiących na niewydolność tego organu. Wiele nadziei budzą obecnie badania związane z wykorzystaniem komórek macierzystych (KM) oraz ich pochodnych w terapiach chorób układu sercowo-naczyniowego. Ich skuteczne zastosowanie wiąże się jednak z koniecznością ich uprzedniego optymlanego przygotowania ex vivo, zanim zostaną podane do miejsca uszkodzenia.

Jednym z obiecujących typów KM stosowanych w medycynie regeneracyjnej są mezenchymalne komórki macierzyste (ang. mesenchymal stem cells; MSCs) pozyskiwane z różnych źródeł, w tym ze szpiku kostnego, tkanki tłuszczowej, czy sznura pępowinowego. Stanowią łatwą do izolacji i hodowli populację KM, charakteryzującą się wysokim potencjałem do różnicowania, w tym w kardiomiocyty i komórki śródbłonka. MSCs wykazują również niską immunogenność oraz pożądane w regeneracji właściwości immunomodulacyjne, a ich wykorzystanie nie budzi dylematów natury etycznej. MSCs uczestniczą w procesach naprawczych zarówno bezpośrednio poprzez różnicowanie się w komórki danej tkanki, które uległy uszkodzeniu, jak i pośrednio poprzez wydzielanie biologicznie aktywnych czynników wpływających na endogenne komórki w miejscu uszkodzenia, w tym mikrofragmentów komórkowych (ang. microvesicles; MVs). MVs stanowią obłonione nanopęcherzyki uwalniane z powierzchni lub wnętrza komórek, będące nośnikami bioaktywnych czynników, m.in. w postaci białek i kwasów nukleinowych, które przenoszą pomiędzy komórkami. Jako mediatory komunikacji międzykomórkowej, MVs z KM mogą uczestniczyć w regneracji tkanek.

W celu zwiększenia skuteczności stosowanych obecnie terapii komórkami macierzystymi, stosuje się szereg procedur zwiększających ich potencjał regeneracyjny, w tym m.in. preróżnicowanie ex vivo lub ich stosowanie w powiązaniu z biozgodnymi rusztowaniami, wykorzystując osiągnięcia współczesnej inżynierii biomateriałowej. Jednym z obiecujących materiałów o potencjalnym zastosowaniu w aplikacjach biomedycznych jest grafen – materiał zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną. Taka struktura grafenu 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 niniejszego projektu jest nowatorskie wykorzystanie podłoży hodowlanych opartych o pochodne grafenu, jako induktorów różnicowania ludzkich komórek MSCs w kierunku komórek tkanki sercowej. Badania będą miały na celu opracowanie optymalnej metody otrzymywania pochodnych grafenu dla regeneracji tkanek miokardium. Ponadto zbadany zostanie wpływ innowacyjnych kompozytów, powstałych w wyniku dołączenia biologicznie aktywnych grup funkcyjnych do powierzchni grafenu, na wybrane funkcje komórek MSCs - ważne z punktu widzenia stymulacji procesów regeneracji uszkodzonej tkanki sercowej. Sprawdzona również zostanie aktywność MVs pochodzących z komórek MSCs hodowanych na podłożach grafenowych, jako bezpiecznej alternatywy zastępującej terapię komórkową miokardium.

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 oraz biologii molekularnej i komórkowej umożliwia prowadzenie międzydziedzinowych badań skutkujących utworzeniem unikalnych biokompozytowych pochodnych grafenu, znajdujących zastosowanie we współczesnej medycynie regeneracyjnej.

dr hab. n. med. Ewa Zuba-Surma, prof. nadzw. UJ

Absolwentka Wydziału Biologii i Nauk o Ziemi Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. W 2004 r. uzyskała stopień naukowy doktora nauk biologicznych pod opieką prof. dr hab. n. med. Juliusza Pryjmy. W 2005 r. wyjechała na staż podoktorski do Uniwersytetu w Louisville (UofL) w USA, gdzie zdobywała doświadczenie w zakresie biologii komórek macierzystych oraz ich zastowań w regeneracji tkanek oraz w zakresie cytometrii obrazowej, której technologię sprowadziła do Polski. W 2009 r. uzyskała stopień naukowy doktora habilitowanego oraz wróciła na swoją macierzystą uczelnię – UJ w Krakowie, na Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii (WBBiB). Od 2011 r. związana z Zakładem Biologii Komórki WBBiB, gdzie zbudowała swój zespół naukowy realizujący projekty naukowe finansowane m.in. z funduszy Narodowego Centrum Nauki (SONATA BIS, SYMFONIA), Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej (HOMING, TEAM), Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (POIG). Za swoje osiągnięcia naukowe oraz wkład w badania komórek macierzystych otrzymała szereg nagród, w tym ISAC President’s Award for Excellence (2008), Nagrodę Premiera RP za habilitację (2010) oraz indywidulane Nagrody Rektora UJ (2010-2015).

Data publikacji: 04.11.2015