Płyn regenerujący nerkę, sztuczna krew, krem przeciw zmarszczkom. Prof. Ciach: Pomysły na innowacje biorę z życia

Katarzyna Pinkosz, Wprost: Niedawno zespół pod kierownictwem prof. Macieja Kosieradzkiego z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego przeprowadził zabieg autotransplantacji nerki świni; nerka przez ok. pół godziny pozostawała bez krążenia, a następnie była przechowywana przez 12 godzin w specjalnym płynie do perfuzji, który miał za zadanie ją natlenić. Opracowana przez Pana zespół technologia to krok do wytworzenia „sztucznej krwi”?

Prof. Tomasz Ciach: Prace rozpoczęły się ok. 10 lat temu na Politechnice Warszawskiej, założyliśmy wówczas też spółkę, która miała zajmować się płynami zdolnymi przenosić tlen. We krwi tlen przenosi hemoglobina, która zresztą dostosowywała się w toku ewolucji, zarówno do stężenia tlenu w atmosferze, jak do zapotrzebowania na tlen w komórkach, dlatego trudno ją w pełni „podrobić”. My zastosowaliśmy tzw. perfluorowęgle (PFC) – syntetyczne substancje testowane jako nośniki tlenu. Postanowiliśmy zastosować je najpierw do perfuzji organów, czyli do długotrwałego ich przechowywania.

PFC są cieczami, które nie mieszają się z wodą, dlatego trzeba stworzyć specjalną emulsję; długo trwało opracowanie odpowiedniej technologii emulsyfikacji i znalezienie odpowiednich emulgatorów, czyli substancji, które wypełniają przestrzeń między kroplami PFC a wodą. Udało się to i już od kilku lat wykonujemy eksperymentalne prace nad przechowywaniem organów zwierzęcych. Dużo czasu zajęło nam stworzenie odpowiednich modeli zwierzęcych. Tym zajmował się głównie prof. Kosieradzki z Instytutu Transplantologii WUM. W szczególności zajmujemy się nerką – jesteśmy w stanie przetrzymywać nerkę w płynie do perfuzji, poza organizmem, przez blisko tydzień. Jesteśmy również w stanie przetrzymywać poza organizmem serce i wątrobę.

Jeśli chodzi o ostatnią autotransplantację nerki u świni, to dużym sukcesem było to, że pobraliśmy prawą nerkę w modelu ciepłego niedokrwienia: czyli nerka miała zamknięte naczynia krwionośne, była niedokrwiona przez 30 minut. To bardzo dewastujące dla organu.

Jakie znaczenie ma to, by pobrać nerkę, a następnie doprowadzić do niedokrwienia?

Chcemy doprowadzić do sytuacji, że będzie można pobierać narządy do transplantacji np. od osoby, która zmarła na zawał serca. W takim przypadku serce przestaje pracować, krew nie krąży, narządy są niedotlenione, pozbawione glukozy…

Dlatego od osób po zawale serca zwykle nie pobiera się organów…

Idealna sytuacja jest wtedy, gdy np. w przypadku transplantacji nerki pobieramy narząd od żywego dawcy, który wyraził zgodę na transplantację. Również w przypadku śmierci mózgu mamy sytuację, że człowiek już nie żyje, ale jego serce nadal pompuje krew, a więc organy są dotlenione, odpowiednio ukrwione.

Problemem jest to, że narządów do przeszczepów jest za mało. Lekarze bardzo rzadko decydują się na pobranie narządu np. wtedy, gdy pacjent dostał zawału serca w domu i zmarł. Nie wiadomo, jak długo organy były niedotlenione i niedokrwione. Dzięki płynowi NanOX, który stworzyliśmy, jest możliwe pobranie organu nawet po długim ciepłym niedokrwieniu. Podczas perfuzji naszym płynem jesteśmy w stanie ją wyleczyć.

To znaczy: dzięki temu, że przez nerkę zaczyna przepływać stworzony przez Pana „biały płyn”, nerka „wraca do życia”?

Tak, nasz płyn do perfuzji NanOX przenosi tlen i dwutlenek węgla. Gdy nerkę się dotleni, ona się naturalnie regeneruje. W eksperymencie, który ostatnio wykonaliśmy, pobraliśmy prawą nerkę, następnie przez 30 minut była ona w ciepłym niedokrwieniu, a potem przez 12 godzin w zbudowanym przez nas urządzeniu była poddawana perfuzji płynem przenoszącym tlen.

Później została wszczepiona w miejsce lewej nerki (czyli lewa nerka została usunięta, a w jej miejscu wszczepiona została pobrana wcześniej prawa nerka). Przeszczepiona nerka podjęła pracę – mimo że była niedokrwiona i przechowywana 12 godzin w naszym płynie.

Dla mnie to dowód słuszności koncepcji, na którą wpadłem 10 lat temu.

Na razie jest to nerka świni. Kiedy jest szansa na zastosowanie podobnej technologii przy przeszczepach u ludzi?

Sytuacja jest o tyle korzystna, że my w zasadzie nie podajemy płynu pacjentowi, tylko wykonujemy perfuzję nerki, następnie ją płuczemy i wszczepiamy. Tak więc pacjent nie dostawałby żadnych nowych leków, które musiałyby być dopuszczone do stosowania, co trwa bardzo długo. Dlatego mam nadzieję na pierwsze implantacje u ludzi w ciągu 2 – 3 lat. Wiele zależy od finansów, szczęścia i obostrzeń prawnych.

Co teraz? Jaka dalsza droga?

Na nasze zlecenie zewnętrzna firma buduje urządzenie, które będzie pełnić rolę inkubatora organów.

Chcemy, by system był uniwersalny, to znaczy: żeby mogły być w nim od razu przechowywane narządy (takie jak nerka, wątroba, serce), jak również, by urządzenie było w stanie mierzyć parametry życiowe tych organów, potrafiło ocenić, czy są one w dobrym stanie. Gdy urządzenie będzie gotowe, wystąpimy o jego certyfikację, a następnie o możliwość wykonania eksperymentów na ludziach, oczywiście po uzyskaniu zgody komisji bioetycznej.

Jeśli to się uda, pacjenci czekający na przeszczepy, będą mieli szansę szybciej je dostać?

Będziemy mogli do przeszczepienia wykorzystywać organy po długim ciepłym niedokrwieniu. Co więcej, być może będziemy w stanie leczyć organy pozaustrojowo.

Leczyć nerkę, wątrobę poza organizmem?

Podam przykład wątroby: szczególnie latem i jesienią zdarzają się zatrucia grzybami; bywa, że wątroba jest potem w takim stanie, że konieczny jest przeszczep. Być może, jeśli takiej osobie, której wszczepi się zdrową wątrobę, to ta chora, pobrana, mogłaby zostać w naszym urządzeniu wyleczona i w przyszłości posłużyć innej osobie. Wątroba ma znakomite właściwości regeneracyjne.

Moim marzeniem – jeszcze sprzed lat – jest stworzenie wręcz bibliotek organów: np. w szpitalu będzie 20 nerek, 5 serc, 20 wątrób, a gdy pojawi się chory pacjent, to będzie można dobrać dla niego taki organ, który najlepiej do niego pasuje genetycznie, by stosować jak najmniej leków immunosupresyjnych.

Czyli nie tak jak dziś, gdy to pacjent czeka na nerkę, serce, wątrobę, a zdarza się, że umiera, zanim znajdzie się dawca?

Takie mam marzenia. Ludzie będą żyli coraz dłużej i transplantacje organów będą wykonywane. Oczywiście, może się okazać, że zostaną one stworzone w inny sposób; są prowadzone prace badawcze nad sztucznymi organami, próby hodowania organów ludzkich w zwierzętach. Póki co jednak wciąż to się nie udaje, a „dzieło Głównego Inżyniera” pozostaje niedoścignionym wzorem. Jednak próbujemy.

Prowadził Pan też prace nad tzw. sztuczną krwią?

Idea jest podobna – wytworzenie całkowicie syntetycznej substancji przenoszącej tlen. Prowadziliśmy takie badania, nawet wykonaliśmy pierwszą serię prób na zwierzętach. Wyniki były obiecujące, dochodziło jednak do dość silnej odpowiedzi immunologicznej, dlatego na razie odkładamy to na przyszłość. Wrócimy do tematu; myślę, że bardzo dużo nauczymy się, pracując na organach świńskich. Jednak „sztucznej krwi”, która pełni wszystkie funkcje jak krew naturalna, jeszcze długo nie stworzymy. Przenoszenie tlenu to tylko jedna z wielu funkcji.

Płyn do perfuzji, który stworzyliście, jest biały.

Czerwony kolor krwi to „zasługa” hemoglobiny. Hemoglobina jest bardzo toksyczną strukturą, dlatego jest zamknięta w erytrocytach, czerwonych krwinkach, które pełnią rolę nośników hemoglobiny. Różnica między hemoglobiną a naszym płynem jest też taka, że hemoglobina podczas przenoszenia tlenu ulega przemianie chemicznej. Zachodzą reakcje chemiczne: pierwsza gdy hemoglobina przyjmuje tlen, a druga – gdy oddaje go do tkanki. Nasza substancja jedynie tlen rozpuszcza – jak cukier rozpuszcza się w wodzie – a potem oddaje. Nasza substancja przenosi tlen nieco gorzej od hemoglobiny, za to znacznie lepiej przenosi dwutlenek węgla. Być może można byłoby ją w przyszłości wykorzystać do leczenia chorób kesonowych (choroba kesonowa, dekompresyjna powstaje u osób narażonych na zbyt szybko zmniejszające się ciśnienie zewnętrzne, np. u nurków – przyp. red.). Mikropęcherzyki gazu (zwykle azotu) wydzielają się we krwi, blokując naczynia w mózgu. Podanie takiego związku jak nasz może spowodować, że pęcherzyki skurczą się i rozpuszczą.

Drugim zastosowaniem naszej substancji mogłoby być leczenie zawału serca. Kiedy mamy zablokowane naczynie, nasza emulsja mogłaby dotlenić mięsień sercowy i być może pomóc leczyć objawy zawału serca.

Oczywiście, docelowo chcielibyśmy mieć syntetycznie stworzoną krew, którą można byłoby podać każdej osobie, bez względu na grupę krwi, i dowolnie długo magazynować. To marzenie wojskowych, ale też marzenie lekarzy.

Prowadził Pan też badania nad lekiem przeciwnowotworowym?

Nadal prowadzimy takie badania nad nanocząstkami polisacharydowymi do terapii nowotworu jajnika. Partię próbną leku produkujemy w firmie chińskiej; niestety, pandemia spowodowała znaczne spowolnienie prac. Idea wydaje się bardzo dobra, ciągle mam nadzieję że może uda się wprowadzić lek do praktyki medycznej.

Skąd pomysły na innowacje?

Głównie z potrzeb, które widzę. Na nowotwór zmarł mój kolega. Z kolei znajomy miał szereg komplikacji związanych z cewnikowaniem – wymyśliliśmy więc nowe pokrycie do cewników moczowych, które pozwala na bezbolesne cewnikowanie, z mniejszym ryzkiem zakażenia bakteryjnego – produkuje je dziś firma z Bydgoszczy.

Inny nasz pomysł to białko, wzorowane na toksynie wytwarzanej przez ślimaki Conus magnus. Ślimaki te są drapieżne i jadowite. Ich jad zawiera konotoksyny, które mają silne działanie neurotoksyczne. W tym jadzie znajdują się bardzo ciekawe białka – niektóre z nich prawdopodobnie będą stosowane w leczeniu cukrzycy, inne mają działanie przeciwbólowe.

Białko, którym my się zainteresowaliśmy, powoduje zwiotczenie mięśni: ślimaki w ten sposób paraliżują ofiarę. Myśleliśmy o zastosowaniu jednego z tych białek w leku na migrenę, gdy jednak zastanawialiśmy się nad mechanizmami działania, to widząc, ile lat zajmuje wprowadzenie leku na rynek, postanowiliśmy wykorzystać to białko w kremie przeciwzmarszczkowym – bo mięśnie mimiczne też ulegną rozluźnieniu. Udało nam się tak „opakować” toksynę ślimaka, że przenika przez skórę. Powoduje to rozluźnienie na 2-3 mm w głąb skóry mięśni mimicznych, pięknie wygładzają się zmarszczki. Toksynę produkujemy w bakteriach, które zmodyfikowaliśmy genetycznie. Wykonaliśmy badania kliniczne, jeden z ekspertów orzekł, że to jedyny krem, który działa. Cieszę się, że jest produkt na rynku, bo projekty naukowe są potrzebne, jednak najważniejsze to zrobić coś, co jest komuś bezpośrednio potrzebne: trafi do pacjenta, do szpitala, leczy, pomaga ludziom.

Wdrożenie pomysłu to marzenie każdego naukowca?

I duży sprawdzian. Naukowcy mają dużo pomysłów, nie zawsze udaje się je zrealizować. Nie zawsze starcza uporu do końca…

Łączy Pan naukę z biznesem. To w Polsce nie jest proste.

Z transferem technologii do przemysłu zetknąłem się wiele lat temu w Bostonie, gdzie uczyłem się i rozmawiałem z prof. Robertem Langerem, który jest światowym guru wdrażania biotechnologii w przemyśle – założył 41 spółek, z czego chyba wszystkie do dziś dobrze prosperują.

Biotechnologia cechuje się dużym ryzykiem inwestycyjnym, ale jeśli pomysł się sprawdzi, to zysk z inwestycji jest bardzo duży. W Polsce długo było złe podejście do inwestowanie w biotechnologii, teraz to się zmienia. Nie wszystkie eksperymenty się udają, jeśli jednak projekt się powiedzie, to niesamowita satysfakcja. Nie zapomnę słów, gdy byłem przy testach cewników: „Panie Profesorze, wreszcie nie boli!”.

Mam nadzieję, że doczekam testów sztucznej krwi na ludziach, półek z organami czekającymi na dawcę. Postęp biotechnologii jest olbrzymi. W Polsce w ciągu 100 lat średnia długość życia podwoiła się; oczywiście, duża tu rola higieny, czystej wody, mydła, szczepień, antybiotyków, jednak era antybiotyków ma się ku końcowi. Na skutek ich zbyt szerokiego stosowania doszło do takiego rozwoju szczepów lekoopornych, że WHO na pierwszym miejscu zagrożeń ludzkości umieściło lekooporność bakterii. Szczepami lekoopornymi zakażamy się najczęściej w szpitalu, czyli zakaża się chory, który już jest słaby. Dlatego pracujemy nad cewnikami pokrytymi powłokami antybakteryjnymi, ale nie z antybiotyków. Jest wiele substancji naturalnych, mających działanie antybiotykowe, również niektóre bakterie wytwarzają specjalne białka antybiotyczne.

Polscy naukowcy mają pomysły: tylko je wdrażać?

Tak, ale rozwój nauki jest bardzo zależny od wydatków na szkolnictwo i na badania. Liczba nowych technologii, patentów —to wszystko jest uzależnione od pieniędzy.

Smutna konstatacja jak na człowieka sukcesu…

Założyłem sześć biotechnologicznych, mogę robić badania także na uczelni, ale chciałbym jeszcze więcej. Pewnie nigdy nie będziemy wydawać tyle na naukę co Amerykanie, ale chociaż żeby to było proporcjonalne do liczby ludności.

Inwestowanie w biotechnologię się opłaca. W Bostonie, obok reaktora atomowego, jest inkubator spółek biotechnologicznych – są tam laboratoria, stoły laboratoryjne biotechnologiczne do wynajęcia nawet na godziny, także przez studentów. Gdy tam byłem, inkubator działał 3-4 lat i wyinkubował spółki o łącznej wartości 7 mld USD. To skala PKB Polski.

Prof. dr hab. inż. Tomasz Ciach, kierownik Zakładu Biotechnologii i Inżynierii Bioprocesowej Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej, założyciel m.in. Laboratorium Inżynierii Biomedycznej, firm NanoVelos, NanoThea, NanoSanguis, Science4Beauty, StenoCoat.