Dr inż. Roman Szafran z Politechniki Wrocławskiej opracował bioczip do hodowli unaczynionych tkanek. Teraz ma szansę na założenie startupu i wprowadzenie urządzenia na rynek

– Modele tkankowe na czipie to nowość. Mogą one znaleźć szerokie zastosowanie np. na różnych etapach badań przedklinicznych leków czy w medycynie spersonalizowanej, szczególnie w terapiach immunologicznych nowotworów – uważa dr Roman Szafran z Zakładu Inżynierii Chemicznej na Wydziale Chemicznym PWr, który w swoim wynalazku widzi ogromny potencjał naukowy i szansę na sukces komercyjny.

Nowatorskie rozwiązanie

Zaprojektowane przez niego urządzenie mieści się na dłoni. Na pierwszy rzut oka to plastikowa, prostokątna płytka z cienkimi wężykami po obydwu jej stronach. – W tej pozornej prostocie tkwi siła tego projektu – uważa autor wynalazku.
Konstrukcja składa się z przeźroczystych elementów z tworzywa sztucznego, szkła i kilku wężyków, które można połączyć z mikropompami i zasobnikami płynów. Sercem czipa jest komora hodowlana, której struktura została misternie wycięta w cieniutkiej jak ludzki włos  warstwie polimeru. To tu nieożywiona materia w zaprogramowany sposób łączy się z komórkami w sztuczną tkankę. Dzięki zastosowanej technologii udaje się otrzymać strukturę przepływową, co jest kluczowym osiągnięciem, które wyróżnia bioczip spośród innych modeli komórkowych. 

– To pozwala hodować na płytce nie tylko monowarstwy komórkowe, ale całe modele tkankowe, oczywiście w mikroskali. Mikroskopijne kanaliki między komórkami umożliwiają dostarczanie im składników odżywczych, w taki sposób, jak to się dzieje w żywym organizmie – tłumaczy naukowiec z Politechniki. Dodaje, że w dotychczasowych rozwiązaniach przy próbach hodowania tkanek głównym problemem było unaczynienie struktury tkankowej. Teraz, za pomocą specjalnej konstrukcji bioczipu, udało się tę przeszkodę pokonać. Co więcej, ta metoda pozwala na hodowlę organoidów, czyli miniaturowych struktur przypominających organy, z komórek macierzystych człowieka.

Pomysł został opracowany (i nadal jest rozwijany) wspólnie z naukowcami z uczelni medycznych. W badaniach uczestniczyli: prof. Jakub Fichna i dr hab. Urszula Lewandowska z UMed w Łodzi, a także prof. Kazimierz Gąsiorowski i mgr inż. Benita Wiatrak z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu.

Szybsze testowanie leków

Wynalazek naukowca z PWr może zrewolucjonizować procedurę dopuszczenia nowych leków do obrotu, przyspieszając i obniżając jej koszt. – Obecnie średni koszt wprowadzenia nowego leku biotechnologicznego na rynek amerykański sięga 353 milionów dolarów. Jeśli doliczyć do tego koszty badań leków, które zakończyły się fiaskiem na różnych etapach, to koszt całkowity wprowadzenia na rynek innowacyjnego leku rośnie do astronomicznej wysokości blisko 1,4 mld dolarów. W praktyce tylko jedna substancja na sto zakwalifikowanych do badań klinicznych trafia na rynek – wyjaśnia dr Roman Szafran.

Zdaniem naukowca wiele substancji leczniczych jest odrzucanych zbyt późno lub, co gorsza, zbyt pochopnie. Dzieje się tak dlatego, że metody badań, którymi obecnie dysponuje farmacja, są niedoskonałe, a ryzyko strat dla inwestora – ogromne. – Jednym z obowiązkowych etapów badań przedklinicznych są testy na zwierzętach. Ich niepowodzenie najczęściej eliminuje lek z dalszych badań, a przecież jest wiele substancji leczniczych które, choć toksyczne dla zwierząt, są wykorzystywane w leczeniu ludzi (np. popularny ibuprofen czy naproksen) – mówi dr Szafran.

Ogromny potencjał badawczy

Podkreśla też zalety badań naukowych z wykorzystaniem modeli bionicznych, m.in. trafność ich odpowiedzi porównywalna z modelami zwierzęcymi, a najważniejsze – możliwość pracy wprost z materiałem biologicznym człowieka.
Modele tkankowe na czipie to sztuczne twory o zaprogramowanej strukturze, przez to wyniki badań na tym samym materiale biologicznym są powtarzalne. W przypadku modeli zwierzęcych, gdzie każdy organizm jest odmienny, by otrzymać wynik wolny od szumu statystycznego, badania wymagają ogromnej liczby powtórzeń.

Dr Szafran zwraca też uwagę na dużą wygodę prowadzenia badań. – Taki model odpowiednio utrwalony i zamrożony w ciekłym azocie może być wykorzystany w dowolnym czasie w każdym laboratorium badawczym, bez konieczności hodowania zwierząt i bez zastrzeżeń etycznych związanych z prowadzeniem badań na zwierzętach – zaznacza naukowiec.

Kolejna zaleta bioczipu to jego dostosowanie do metod badawczych stosowanych w nauce. Jest to rodzaj żywego preparatu biologicznego, który nadaje się do obserwacji pod mikroskopem optycznym w dużych powiększeniach, w czasie rzeczywistym. – Możemy zajrzeć do wnętrza żywej tkanki na każdym etapie badań, bez potrzeby jej „uśmiercania” przy przygotowaniu preparatu. W sposób bezpośredni badamy mechanizmy procesów biochemicznych przebiegających po podaniu substancji aktywnej. To znaczy, że od razu widzimy, jak reagują na nie komórki – wyjaśnia dr Szafran.

Precyzyjny dobór leków dla konkretnego pacjenta

Naukowiec widzi wielkie możliwości zastosowania bioczipów w medycynie spersonalizowanej. Jej podstawową ideą jest dobór metody leczenia do konkretnego pacjenta.

Dr Roman Szafran: – Każdy z nas jest inny, każdy posiada nieco inny genom. Dziś metodę leczenia dobiera się głównie do jednostki chorobowej, bez uwzględnienia naszej zmienności osobniczej, a każdy z nas inaczej reaguje na zaaplikowaną terapię. Pół biedy, gdy lekarz metodą prób i błędów w końcu znajdzie skuteczną metodę leczenia, gorzej gdy zabraknie mu już na to czasu, ze względu na pogorszenie stanu pacjenta. W wielu chorobach, w tym nowotworowych, stracony czas pogarsza rokowania dla pacjenta. A kolejne dawki różnych chemioterapeutyków mogą prowadzić do powstania krzyżowej oporności komórek nowotworowych na leczenie. W terapiach onkologicznych medycyna spersonalizowana daje szansę na trafny strzał już za pierwszym razem, gdy szanse powodzenia terapii są największe.

Dzięki modelom tkankowym na czipie będzie można „sprawdzać” lek poza organizmem pacjenta, ale na jego własnym materiale biologicznym.

Pomysł na startup

Obecnie dr Szafran pracuje nad przeskalowaniem metody wytwarzania bioczipów. Chce ich produkować zdecydowanie więcej niż dla potrzeb badań naukowych. – Tu chodzi o tysiące egzemplarzy do wykorzystania w badaniach klinicznych. Muszą mieć one stałe, powtarzalne parametry. Dotychczasowe poszukiwania inwestora strategicznego nie przyniosły rezultatu – zdradza naukowiec. Dlatego postanowił  wspólnie z naukowcami z uniwersytetów medycznych we Wrocławiu i w Łodzi, z którymi współpracuje od wielu lat, założyć startup na Politechnice Wrocławskiej.

– Z tego, co mi wiadomo, takie badania jak nasze prowadzone są jedynie w kilku ośrodkach na świecie, głównie w Stanach Zjednoczonych. Mamy więc naprawdę duże szanse zaistnieć na rynku europejskim – podsumowuje dr Roman Szafran.

ISZ