W stworzonym we Wrocławiu nowatorską metodą bionicznym mikroczipie będzie można badać zjawiska towarzyszące inwazji nowotworu. To narzędzie, dzięki któremu poznamy odpowiedź na pytanie, jak zatrzymać przerzuty
Seryjnym mordercą naszych czasów stała się choroba nowotworowa. Choć zostały wypracowane metody leczenia – jak np. chemio- czy radioterapia – to bywa tak, że lekarze w starciu z jej zaawansowaną postacią są bezradni. Być może nową amunicją w tej nierównej walce będzie „urządzenie mikrofluidalne (bioczip) do badań i symulacji zjawisk transportu w tkankach i organach”, którego nowatorski sposób wytwarzania opracowano w Zakładzie Inżynierii Chemicznej na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej.
Obecnie badania nad fizjologią nowotworów oraz skutecznością terapii przeciwnowotworowych prowadzi się, wykorzystując pojedyncze komórki nowotworowe lub ich skupiska, sferoidy, złożone z kilkuset niezróżnicowanych komórek. W kolejnych etapach testy prowadzi się na modelach zwierzęcych, potem wreszcie sprawdza się działanie leków na ochotnikach.
– Nasz wynalazek może znacznie usprawnić i przyspieszyć testy nowych leków przeciwnowotworowych – wyjaśnia dr inż. Roman Szafran, który stworzył czipa. – Jego olbrzymią zaletą jest to, że z dużą dokładnością odwzorowuje budowę guza nowotworowego, jego strukturę naczyniową, która ze swej natury jest nieregularna, zmienna i trudna w badaniach. Tak złożonych modeli zmian nowotworowych dotychczas nie opracowano.
Ale stworzenie „sztucznego nowotworu” w krzemowej strukturze, na powierzchni płytki o rozmiarach kilku centymetrów kwadratowych jest zadaniem arcyskomplikowanym. Najpierw trzeba dysponować obrazem tkanki, np. zdjęciami mikroskopowymi zmiany nowotworowej, by możliwie wiernie oddać strukturę nawet najdrobniejszych naczyń krwionośnych. Problem w tym, że naczynia krwionośne w guzach są zbudowane inaczej niż w zdrowych organach – mają zróżnicowane kształty i rozmiary, nietypowe rozgałęzienia i ślepe zakończenia. – Guz to struktura, która cały czas się zmienia i ewoluuje, broniąc się przed stosowaną terapią. Wytwarza własne naczynia, by zapewnić sobie optymalne warunki do szybkiego wzrostu – wyjaśnia dr Szafran.
Jednak od zdjęcia do mikrosystemu jeszcze daleka droga. Dzięki ich numerycznej obróbce powstają mapy cyfrowe, na których podstawie warstwy krzemowego elastomeru o grubości nie większej od ludzkiego włosa modyfikuje się niewidoczną dla ludzkiego oka wiązką lasera, tak by w efekcie powstało trójwymiarowe rusztowanie dla hodowli komórek. To proces żmudny, ponieważ elastomer nakładany jest warstwami, tworząc wielowarstwową kanapkę. Dzięki temu możliwe staje się otrzymanie biologicznego modelu złożonej struktury guza dowolnego organu. Do tego celu można też pobierać komórki rakowe bezpośrednio od chorego. „W ten sposób możliwe jest wytworzenie spersonalizowanego modelu zmiany nowotworowej i prowadzenie badań w kontrolowanych, powtarzalnych warunkach” – tłumaczy w opisie swojego wynalazku wrocławski chemik.
Eureka DGP: Pająk, co żadnej pracy się nie boi. Obroni nas przed powodzią?

Zobacz również
To, jak zbudowany jest bioczip, widać dopiero pod mikroskopem. Urządzenie może się składać z kilku warstw, jednak wszystkie są przezroczyste, tak by można było prowadzić obserwacje jak nad zwykłym preparatem mikroskopowym. Z tą różnicą, że materia na szkiełku żyje, a w jej naczyniach przepływa płyn zastępujący krew. Z wierzchu jest warstwa tworzywa sztucznego służącego za „twardą okładkę” – osłonę, a w środku poddany wcześniej grawerowaniu elastomer. Poważnym problemem, z którym borykali się wrocławianie, tworząc bioczip, było niezawodne połączenie elastomeru ze szkłem. Dzięki wytrwałości i niezliczonej liczbie prób udało im się to osiągnąć po, bagatela, półtora roku pracy. Ale urządzenie trzeba ciągle rozwijać, kolejny etap, który planują, to przestrzennie ukierunkowane hodowle komórkowe, po to by jeszcze lepiej naśladować naturę – tego jeszcze nikt nie dokonał. Już powstaje oryginalne oprogramowanie do komputerowych symulacji, które ma pomóc w osiągnięciu sukcesu.
Dzięki tego typu mikrosystemom można obserwować podziały komórek nowotworowych, formowanie zdegenerowanych naczyń krwionośnych itp. Jest to istotne, bo pozwala na obserwację nowotworu w warunkach dynamicznych. – To kluczowe, bo w laboratoryjnych warunkach udaje się obserwować powstawanie przerzutów nowotworowych. Ten proces nazywany jest metastazą. Mamy nadzieję, że dzięki naszym bioczipom uda się zaobserwować moment transformacji komórek nowotworowych w inwazyjne formy oraz ich późniejszą wędrówkę w mikronaczyniach do nowych miejsc zasiedlania. Gdy dobrze rozpoznamy strategię wroga, będziemy mogli z wyprzedzeniem blokować jego ruchy – deklaruje dr Szafran.
Niepozorne szklane płytki może czekać wielka przyszłość. Po pierwsze, mogą służyć jako środowisko testowe w laboratoriach – nowe leki zamiast testowane na zwierzętach mogą być sprawdzane w tych urządzeniach, i to od razu z wykorzystaniem komórek nowotworowych człowieka, zawsze w takich samych warunkach. Modele zwierzęce nie zawsze się sprawdzają, a badania z ich udziałem są czasochłonne, kosztowne i nierzadko budzą kontrowersje.
Po drugie, tego rodzaju czipy mogą być wykorzystywane w klinikach onkologicznych, ułatwiając dobór najlepszej metody leczenia dla konkretnego pacjenta i opracowanie terapii celowanej. Dzięki nowej metodzie stworzenie modelu guza trwa do kilku dni – na tyle krótko, by w praktyce pomóc lekarzowi w doborze optymalnej terapii. Znacznie maleją też koszty jego wytworzenia.
Tak więc powody, by ten sposób wytwarzania bioczipów stał się popularny, są. Jednak proces komercjalizacji i wdrożenia to przyszłość. Dr Szafran pracuje nad tą metodą już cztery lata. I choć w 2013 r. metoda została nagrodzona na światowej wystawie wynalazczej w Tajpeju, to wciąż wymagane są dalsze prace, by ją udoskonalić. – Potrzebny jest partner przemysłowy zainteresowany udziałem w rozwoju i wdrożeniu pomysłu. Upraszczając, można powiedzieć, że brakuje nam jeszcze trzech lat prac i kilku milionów złotych – prognozuje dr Szafran.
– Paradoksem jest to, że z Narodowego Centrum Nauki można otrzymać jedynie granty na badania podstawowe, nienastawione na bezpośrednie zastosowanie praktyczne rezultatów, czyli jedynie na wstępne fazy każdego projektu naukowego. System finansowania badań jest tak skonstruowany, że jak już się zrobi pierwszy krok, to trudno o pieniądze na to, by wykonać kolejny i dopracować coś innowacyjnego – żali się naukowiec.

Eureka! DGP

Dobiega końca druga edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”. Jego celem jest promocja polskiej nauki i potencjału twórczego naszych wynalazców. Dziś w Magazynie DGP opisujemy dwa ostatnie wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 54 nadesłanych przez 17 uczelni oraz 26 zgłoszonych przez 13 instytutów badawczych. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi w czerwcu. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma – oraz kampania promocyjna o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora. W tym roku wszyscy uczestnicy konkursu zostaną zaproszeni do prezentacji swoich wynalazków podczas III Międzynarodowych Targów Innowacji i Nowych Technologii INNO-TECH EXPO, które odbędą się w dniach 15–16 października 2015 r. Prezentacja wynalazków na Targach Kielce będzie doskonałą okazją do nawiązania współpracy biznesowej, która zwiększy możliwości szybkiego wprowadzenia nowych produktów na rynek.