Čudesan svijet hidrogelova koji će promijeniti brojne terapije

Zamislite dan kada će jednostavna injekcija potaknuti zacjeljivanje slomljene kosti. Kada će sitni uređaji koje ćete moći progutati ostati neprimjetni u tijelu i pratiti naše zdravlje ili isporučivati životno važne lijekove. Kada će implantati u mozgu i srcu srasti s tkivom tako besprijekorno da će tijelo misliti da su oduvijek tu.

To su snovi znanstvenika koji rade na razvoju novih materijala, a koji su desetljećima ulagali napore u oponašanje složene arhitekture ljudskog tijela u nadi da će zamijeniti slomljene dijelove ili liječiti bolesti.

Problem je, kažu bioinženjeri, u tome što je većina zamjenskih i korektivnih dijelova – od proteza do pacemakera – izrađena od tvrdih, suhih, beživotnih materijala poput metala ili plastike, dok je biološko tkivo mekano, vlažno i živo. Tijelo poznaje razliku i sklonije je odbaciti imitacije.

Budućnost poput znanstveno-fantastičnog romana

Tu nastupaju na scenu hidrogelovi, trodimenzionalne mreže molekula nabrekle – po definiciji – vodom. Prvi put ih je opisao 1960. godine tvorac mekih kontaktnih leća; ove čudne, promjenjive tvari mogu mijenjati oblik od tekućeg do čvrstog i do nečeg između (rani, jednostavni primjeri uključuju gel za kosu ili žele). Sporo privlačeći pažnju, o njima je do 1982. godine objavljeno samo 1.000 studija. No u posljednje su vrijeme postali predmetom intenzivnog istraživanja te je o njima objavljeno ukupno 100.000 znanstvenih radova do 2020. godine, a već 3.800 radova samo ove godine.

Kako kemičari, biolozi i inženjeri počinju sve više surađivati, međusobno i s liječnicima, rastuće područje hidrogelova spremno je promijeniti način na koji uzimamo lijekove i tretiramo istrošene zglobove te utrti put za naizgled znanstveno-fantastičnu budućnost u kojoj organi, uključujući mozak, mogu izravno komunicirati s uređajima.

Tajna je u vodi…

„Mi smo, u suštini, hidrogelovi“, rekao je Benjamin Wiley, doktor znanosti i profesor kemije na Sveučilištu Duke u Durhamu, Sjeverna Karolina. „Kako ljudi razvijaju nove hidrogelove koji se sve više podudaraju s tkivima u našem tijelu, moći ćemo liječiti cijeli niz tegoba koje prije nismo mogli liječiti“, rekao je Wiley za Medscape.com.

Jednostavno objašnjeno, hidrogel je poput mrežaste vrećice s vodom. Mreža je napravljena od polimera, odnosno niti molekula spojenih u ponavljajući uzorak i nabreklih vodom, baš kao što 3D matrice u našem tijelu okružuju, podržavaju i daju strukturu našim stanicama i tkivima.

Ljudske kosti sastoje se od oko 25% vode, mišići od oko 70%, a mozak od 85%. Ta dragocjena tekućina igra niz ključnih uloga, od unosa hranjivih tvari, izbacivanja iz tijela otpada, do pomoći stanicama u međusobnoj komunikaciji. Hidrogelovi stvoreni u laboratoriju mogu se napuniti „teretom“ (poput loptice u mreži), uključujući stanice ili lijekove koji pomažu oponašati neke od tih funkcija.

Hidrogelovi su također meki i savitljivi poput tkiva. Dakle, ako se koriste u implantatima, manja je vjerojatnost da će oštetiti okolno tkivo.

Hidrogelovi također imaju tendenciju da budu netoksični, tako da je manje vjerojatno da će ih imunosni sustav napasti kao strana tijela. Sve je to učinilo hidrogelove novim miljenicima svijeta bioinženjeringa.

Izgradnja zglobova i ponovni rast kostiju

Od 1970-ih, istraživači su razmišljali o korištenju hidrogelova za zamjenu ljudske hrskavice, izuzetno snažnog i fleksibilnog tkiva koje se sastoji od oko 90% vode, ali može izdržati težinu automobila na površini veličine novčića.

Donedavno su ti napori uglavnom propadali. To znači da kada se hrskavica koljena istroši, jedine opcije koje stoje na raspolaganju su mjere poput transplantacije hrskavice, bušenja rupa za poticanje novog rasta ili potpune zamjene zglobova, a sve to zahtijeva dugotrajnu rehabilitaciju.

Ali to bi se moglo promijeniti. Wiley i njegovi kolege iz Dukea nedavno su izvijestili da su razvili prvu zamjenu za hrskavicu na bazi gela koja je još jača i izdržljivija od prirodne hrskavice.

Pričvršćivanjem svog hidrogela na podlogu od titana kako bi se zalijepio na mjesto, nadaju se da će popraviti oštećenu hrskavicu „kao što stomatolog ispunjava šupljinu“ mnogo prije nego što bi operacija postala neophodna.

I oni su se udružili s industrijom kako bi svoj hidrogel plasirali na tržište, počevši od koljena. „U konačnici, cilj je napraviti bilo koji zglob – kukove, gležnjeve, zglobove na prstima ruku i nogu“, rekao je Wiley.

Na Sveučilištu u Torontu, kemičarka dr. sc. Karina Carneiro i stomatolog Christopher McCulloch u nedavnom radu objavljenom u Proceedings of the National Academy of Sciences, opisuju hidrogel koji je dizajnirao Carneiro i koji je napravljen od DNK, a koji se može ubrizgati, migrirati do defekta u kosti (nepopravljivog prijeloma, rupe od operacije ili čeljusne kosti oštećene uslijed degenerativnih promjena) te popuniti prazninu kao što bi se to učinilo kitom na pukotini zida. Ali ne samo da puni rupu, već potiče kost na regeneraciju.

Ovo je tek začetak razvoja DNA hidrogelova

Kod štakora s rupama u lubanji zbog operacije otkrili su da tretman nije djelovao tako dobro kao postojeći zlatni standard za sanaciju takvih oštećenja kosti – presađivanje kosti s drugih dijelova tijela. Ali uspjelo je.

Ovo je tek začetak razvoja DNA hidrogelova, upozorio je McCulloch, koautor studije i profesor na Stomatološkom fakultetu, ističući da će vjerojatno proći desetljeće ili više prije nego što takva tehnologija bude dostupna pacijentima. „Ali postoji mogućnost da bi DNA hidrogel jednog dana mogao regenerirati kosti bez potrebe za vrlo invazivnim kirurškim zahvatima. To je značajan napredak“.

Stručne savjete i vijesti iz svijeta ortopedije potražite na stranici Poliklinike Ribnjak.