Biomateriály a jejich medicínské využití Jiřina Medalová, Petra Černochová jipro@sci.muni.cz > Co všechno lze nahradit?? •Organické náhrady •Kůže a kožní deriváty oKůže, Vlasy, zuby, boltce, nos •Orgány oledviny, srdce, játra, plíce, pankreas, penis •Tkáně oRohovka, mozková plena, céva, kost, šlacha, srdeční chlopeň, končetina, prst •Buňky oKostní dřeň, naprogramované T buňky, spermie, vajíčka o •Neorganické náhrady oFalešné oko oKloub, kost oKončetina, prst oZub oCévní stent oMeziobratlová ploténka oSrdeční chlopně • •Kombinace buněk a neorganických nosičů - biomateriálů oKůže oCévy o3D modely tkání osídlené buňkami (srdce, ledviny…) o o o o o • • • Typy transplantací •Autotransplantace – přemístění tkáně v rámci jedné osoby • • •Alotransplantace – dárce a příjemce jsou stejného druhu • • •Xenotransplantace – dárce a příjemce jsou různého druhu • • •Aloplastika – využití cizorodých materiálů Historie - Náhrady končetin, zubů 2500 př.n.l. Mexiko 800 př.n.l Egypt https://epochaplus.cz/egyptske-protezy-palcu-u-nohy-obstoji-i-v-dnesni-konkurenci/ http://www.lpdental.cz/p91/prvni-zubni-nahrady 1500 n.l. Japonsko 300 n.l Italie Transplantace tkání Indie 500 př.n.l - Šušruta – plastika nosu, uší, - chirurgické nástroje Čína 200 let př. n.l. - Hua T´o a Pien Ch´iso - narkóza, transplantace srdce Turecko 300 n.l . - Kosma a Damián – transplantace končetin Výsledek obrázku pro Hua To a Pien Ch´iso DUINOVÁ, Nancy a Jenny SUTCLIFFOVÁ. Historie medicíny: Od pravěku do roku 2020. Praha: Slovart, 1997. SCHOTT, Heinz. Kronika medicíny. Praha: Fortuna Print, 1994. Úspěšné transplantace •Transplantace kostí – 19. století, xenotransp. (pes) •Transplantace rohovky – 1905 OLOMOUC •Transplantace vnitřních orgánů • nutnost imunosuprese - Cyklosporin A 1954: První úspěšná transplantace ledviny (USA) 1966: První úspěšná transplantace slinivky břišní (USA) 1967: První úspěšná transplantace jater (USA) 1967: První úspěšná transplantace srdce (Jihoafrická republika) 1981: První úspěšná transplantace srdce a plic zároveň 1983: První úspěšná transplantace plicních laloků 1986: První úspěšná transplantace obou plic 1998: První úspěšná transplantace části slinivky břišní od živého dárce 1998: První úspěšná transplantace ruky (Francie) 2010: První úspěšná transplantace celého obličeje (Španělsko) 2010: První úspěšná transplantace umělého srdce (Itálie) 2015: První úspěšná transplantace penisu (Jihoafrická republika) • • Umělé náhrady 1938 - První totální náhrada kyčelního kloubu 1940 – Zavádění polymerů do medicíny - PMMA pro nápravu zlomených kostí - celulóza pro dialýzu - stehy z nylonu 1952 – první mechanická srdeční chlopeň 1953 – první náhrada cévy z polymerního dacronu 1976 – první arteficiální srdce 1975 - Založení společnosti pro biomateriály Vývoj materiálů a cíl dané generace materiálů: 1.generace – od 1950 – inertnost materiálů 2.generace – od 1980 – bioaktivita materiálů 3.generace – od 2000 – obnovení funkčních tkání http://www.technicalmuseum.cz/wp-content/uploads/2019/02/kosti_02.jpg http://www.technicalmuseum.cz/akce/az-na-kost/ http://www.technicalmuseum.cz/wp-content/uploads/2019/02/kosti_02.jpg Věda o biomateriálech •Multidisciplinární studium – fyzika + chemie + biologie • + medicína + informatika • •Studium fyzikálních a biologických vlastností materiálů a jejich interakce s jejich prostředím v místě použití a vyhodnocování získaných infos Výsledek obrázku pro biomaterial interdisciplinary Biomateriály Žádoucí vlastnosti - biokompatibilita: dobrá smáčivost, volná povrchová energie, povrchový náboj, konstantní drsnost, neimunogennost nekarcinogennost, nepyrogennost někdy je nutná samodegradovatelnost x vysoká stabilita - musí být sterilizovatelný - výroba musí být ekonomicky, časově i ekologicky nenáročná Postup testování - in vitro – cytotoxicita (cytokinetické parametry), mutagenita, imunogenita - buněčné kultury – analogická tkáň, buněčný model - in vivo – pyrogenita, systémová a akutní toxicita, imunogenita karcinogenita, mutagenita - myši prasátka lidé • Metody in vitro Cytokinetické parametry: Proliferace + viabilita -formazánové soli metabolizované mitochondriemi za vzniku zbarvení -Resazurin – fluorescenční resorufin Buněčná smrt -apoptóza: DNA žebřík, aktivace kaspáz, annexin V/PI -autofágie: značení autofagosomů CytoID Diferenciace -Markery diferenciace specifické pro dané buňky (qRT-PCR) Adheze - Wash away testy, cell scratching, studium motility Mutagenita a karcinogenita Amesův test – prokaryota Salmonella typhimurium - mutace v histidinu a sleduje se zpětné mutování v selekčním médiu Test na získané chromozomové aberace - nutné vyšetření karyotypu nad 5% mutovaných buněk = vysoká mutagenita Imunogenita –test produkce TNFa a IL6 na myších makrofázích (ELISA) Metody in vivo Vložení materiálu do pokusných modelů a následná měření: •Měření teploty těla (pyrogenita) •Studium imunitního systému (imunogenita) •Celkový zdravotní stav - váha, motilita, aktivita metabolismu - toxicita •Celotělové metody zobrazení – CT, MR, fluorescece, chemiluminiscence – • studium vzniku nádorů (karcinogenita) •Transkriptom – změny v hlavních signálních drahách http://www.mouseimaging.ca/gallery/assets/gallery_mri_mouse_l.jpg https://www.pnas.org/content/pnas/111/6/E682/F2.large.jpg?width=800&height=600&carousel=1 Nejpoužívanější materiály https://slideplayer.cz/slide/2315119/ Nejpoužívanější materiály https://slideplayer.cz/slide/2315119/ Nejpoužívanější materiály Biomateriály a plazma Osteoartritida – kostní implantáty pokryté hydroxyapatitem pomocí plazmy https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28254288 - CaO-SiO2 plazmou nasprejovaný na keramiku https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18771893 Kardiovaskulární systém - chlopně s nepřilnavými vrstvami - hydrogely s imobilizovanými kmenovými buňkami https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25778713 Intervertebral disc – plazmou naspreovaný titan nebo titan + fosforečnan vápenatý https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15541680 Arteficiální cévy - nejrůznější polymery funkcionalizované plazmou https://www.mdpi.com/1996-1944/12/2/240 lskupina plazmových technologií na CEITEC (Doc. Zajíčková) lBiomateriály a tkáňové inženýrství, (FGÚ AVČR, doc. Bačáková) http://www.fgu.cas.cz/departments/biomaterialy-a-tkanove-i inzenyrstvi?publicationsCount=20 https://www.ceitec.cz/plazmove-technologie-lenka-zajickova/rg9 Spolupráce GAČR projekt: Plazmové polymery připravené na nanovlákenných membránách pro inženýrství cévní tkáně Povrchy tvořené polykaprolaktonem spřadeným do nanovláken a funkcionalizované aminy jsou vhodnými nosiči pro náhrady cév Studium endotelových a kmenových buněk plasma-polymerisation-reactor Cyclopropylamine + Ar Plazmová funkcionalizace povrchů Nerezový reaktor s diagnostickými metodami pro plazmu Schéma kapacitně vázaného plazmového výboje 13.56 MHz Projekt •Plazmatem aktivovaný cyklopropylamin vytváří aktivní aminové (+) funkční skupiny na povrchu polystyrenových misek a nanovlákenných membrán z polykaprolaktonu • -Hlavní změna fenotypu buněk - zvýšení odolnosti vůči trypsinu - -Studované buněčné linie -Myoblasty kosterní svaloviny (C2C12) -Keratinocyty (HaCaT) -Fibroblasty (LF) -Buňky hladké svaloviny z cévy (VSMC) -Endotelové buňky (HUVEC, HSVEC, CPAE) - -3 studované povrchy - 10 W, 30 W a 150 W • - Petriho misky • - nanovlákna z polykaprolaktonu • • Membrány •Cell crowns (Scaffdex) – s membránami v 24 W desce - nejsou průsvitné, nutné fluorescenční barvení •Stanovení cytokinetických parametrů •Kokultivace endotelových buněk a VSMC • • Výsledek obrázku pro biomaterials for tomorrow Odolnost buněk vůči trypsinu I CTR 10W 30W 150W •Endotelové buňky – HUVEC – umbilical vein (pupečník) • - HSVEC - vena saphena (na noze) • - CPAE – pulmonary artery (plicnice) Odolnost buněk vůči trypsinu II Proliferace – 2 dny 30W 10W 150W 100W Life Imaging • Buňky hned po vysetí - 20 hodin časosběrné video 1.Rychlost přisedání - zvýšená 2.Motilita buněk – snížená •Zvýšené adhezní parametry Shrnutí •Dlouhá a pestrá historie náhrad tkání a orgánů •Využití plazmy pro modifikace povrchů •CPA aminové vrstvy způsobují oZvýšenou odolnost buněk vůči trypsinu oRychlejší přisedání oNižší motilitu oSníženou proliferaci o oZvýšení adheze, které ovlivňuje i rychlost dělení buněk o oAktuální problematika, do které se můžete zapojit oStudium cytokinetiky, life imagingu oKokultivace buněk na opačných stranách membrány oStanovení imunitní odpovědi (IL6, TNFa) Výsledek obrázku pro biomaterial science Děkuji za pozornost! jipro@sci.muni.cz VuVeL Mgr. Jiřina Procházková, Ph.D. prochazkova.j@vri.cz Toxikologie v praxi Výsledek obrázku pro differentiation of neuroepithelial cells Vliv chemických látek na diferenciaci neuronů