Jeśli wspólny projekt naukowców z Warszawy i Torunia się powiedzie, za kilkanaście lat implantolodzy stomatologiczni mogą zostać bez pracy. Badacze chcą wyhodować trzeci komplet zębów w oparciu o występujące w dziąsłach komórki macierzyste.
SteamScaf to projekt finansowany w ramach Inicjatywy Doskonałości Uczelni Badawczej Politechniki Warszawskiej. Jego liderem jest dr hab. inż. Agnieszka Gadomska-Gajadhur z Wydziału Chemicznego PW. Naukowcy ze stolicy zajmują się projektowaniem polimerów, struktur przestrzennych i rusztowań, które w przyszłości będą obsadzane komórkami macierzystymi. Cechą charakterystyczną tych komórek jest to, że mają zdolność do przekształcania w inne typy komórek. To właśnie one dają początek wszystkim liniom komórkowym, które budują organizm. Dr hab. Dorota Bukowska, prof. UMK i dr hab. Paweł Antosik, prof. UMK z Instytutu Medycyny Weterynaryjnej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika odpowiadają za testy na modelach zwierzęcych, a zatrudniony na Uniwersytecie Medycznym w Poznaniu i w Instytucie Medycyny Weterynaryjnej UMK prof. dr hab. Bartosz Kempisty prowadzi badania komórkowe.
Dzisiejsza nauka opiera się na współpracy różnych gałęzi wiedzy – podkreśla prof. Bukowska. - Czasy Marii Curie-Skłodowskiej - era samotnych białych żagli już dawno się skończyły.
Prace nad trzecim kompletem zębów rozpoczęły się od izolacji materiału zwierzęcego, doboru i poboru odpowiednich tkanek: podniebienia, dziąsła i miazgi zęba, z których wyselekcjonowane zostaną odpowiednie komórki przeznaczone do dalszych badań.
fot. Andrzej Romański
Naukowcy z różnych komórek macierzystych tworzą homogenną, czyli jednorodną populację. Później muszą nadać jej nowy charakter, nowy cel. Po zmianach dana komórka nie będzie odpowiadała już za to, co było jej wcześniejszym zadaniem np. w dziąśle. - Na bazie zróżnicowanych komórek możemy stworzyć podstawy pod przyszłe tkanki – tłumaczy prof. Kempisty. – Kiedy dostaniemy od dr Gadomskiej-Gajadhur rusztowania polimerowe, naniesiemy na nie komórki i sprawdzimy, w jakim stopniu mogą namnażać się na biokompatybilnych z organizmem i biodegradowalnych polimerach i tworzyć strukturę przestrzenną, zbliżoną do tkanki. Gdy będziemy mieli konstrukcję odwzorowującą tkankę in vivo, występującą w organizmie, skoncentrujemy się na tym, czy można ją przeszczepić i w które miejsce.
Do kompletu trzecich zębów u człowieka jeszcze daleka droga, ale jak najbardziej możliwa do przebycia. W Japonii na początku obecnego wieku udało się wyhodować sztuczny ząb u myszy. Miał prawidłową morfologię, fizjologię, ukrwienie i unerwienie. Podobne projekty są prowadzone na całym świecie.
King's College London, z którym współpracujemy, też dążył do stworzenia sztucznego ludzkiego zęba – wspomina prof. Kempisty
Badacze tłumaczą, że muszą skupić się na przygotowaniu komórek in vitro, biomateriałów kompatybilnych z komórkami i zawiązkach, czyli początkach tkanek. Dopiero później będą mogli myśleć o stworzeniu prawdziwej struktury zęba. - W tej chwili nasza biologiczna, biotechnologiczna część zespołu pozyskuje tkanki, charakteryzuje, selekcjonuje i różnicuje komórki– wyjaśnia prof. Kempisty. – W czasie różnicowania sprawdzamy, które komórki separują się w chondrocyty, osteoblasty lub komórki podobne do nerwowych. Bo te trzy nas interesują. Po zakończeniu projektu SteamScaf powinniśmy mieć biorusztowania obsadzone komórkami, zalążkami tkanek. Jeżeli eksperymenty się powiodą, przejdziemy do prac na żywych zwierzętach, bo na razie pracujemy na materiale poubojowym, na co nie potrzeba zgody komisji bioetycznej.
fot. Andrzej Romański
Badania komórkowo-molekularne prowadzone są w Interdyscyplinarnym Centrum Nowoczesnych Technologii UMK przez młodych lekarzy weterynarii. Naukowcy z toruńskiej uczelni zapewniają dostęp do materiału zwierzęcego. Zajmująca się interną prof. Dorota Bukowska i specjalizujący się w ortopedii, traumatologii i radiologii prof. Paweł Antosik odpowiadają za ocenę i dobór zwierząt, kolekcjonowanie materiału zwierzęcego i później możliwości zastosowania u zwierząt, na początku w badaniach przedklinicznych. Naukowcy pracują na modelu świni domowej. – Badania na zwierzętach kojarzą nam się ze szczurami i myszami, często uważamy je za przyjemniejsze od świni – mówi prof. Kempisty. – Ale to genom świni jest blisko w 95 proc. zbieżny z genomem człowieka. Jak ważne dla przyszłości transplantologii są te zwierzęta świadczy udane przeszczepienie człowiekowi świńskiego serca. Dokonał tego 11 stycznia 2022 r. zespół prof. Bartleya Griffitha, dyrektora programu przeszczepu serca w Centrum Medycznym Uniwersytetu Maryland (niestety dwa miesiące po przeszczepie pacjent zmarł – red.). Wcześniej człowiekowi przeszczepiono świńską nerkę.
Badania, które prowadzimy na tym samym modelu zwierzęcym, wykorzystując inne tkanki i organy takie jak serce, krew pępowinowa, galareta Whartona oraz komórki macierzyste z innych organów człowieka i zwierząt, pokazują, że można je różnicować i uzyskiwać zalążki tkanek – dodaje prof. Kempisty. – Współpraca przy badaniach z wykorzystaniem komórek macierzystych, które od kilkudziesięciu lat prowadzimy wspólnie z Instytutem Medycyny Weterynaryjnej, doskonale się układa. Toruńska weterynaria nie zamyka się wyłącznie na badaniach na zwierzętach, ale skłania się i robi ukłon w stronę medycyny ludzkiej, zarówno regeneracyjnej, jak i rekonstrukcyjnej.
Naukowcy zakładają, że prace nad trzecim kompletem zębów ludzkich potrwają przynajmniej kilkanaście lat.
Pierwszym etapem są badania in vitro, ale – nawet jeśli ich wyniki są świetne, prawdziwym testem, którego przebiegu nie da się przewidzieć, jest zastosowanie wypracowanych rozwiązań na żywym organizmie. Jeśli badania in vivo zakończą się fiaskiem, trzeba wszystko zaczynać od początku.
Czy nadzieją na przyspieszenie prac może być wykorzystanie rozwijającej się technologii biologicznego druku 3D? Prof. Kempisty zauważa, że dobrze sprawdza się ona w przypadku pojedynczych tanek, nie zda jednak egzaminu przy strukturze tak skomplikowanej jak ludzki ząb.
Badacze podkreślają, że w biologii, medycynie, weterynarii, w naukach o życiu przełom niekiedy zależy od przypadku. Przypominają, że Alexander Fleming odkrył penicylinę przez zaniechanie i zaniedbanie. - Jeśli wszystko potoczy się zgodnie z planem, w ciągu najbliższych kilku lat chcemy stworzyć zawiązki tkanek– zapowiada prof. Kempisty. – Prace nad sztucznym zębem będą na pewno dłuższe i wymagają wsparcia nie tylko Politechniki Warszawskiej, ale też innych pracowni, instytutów, uczelni i placówek, które zajmują się zarówno bioinżynierią tkankową, jak i biomechaniką. Nieodzowna też pomoc biznesu, który pomoże je sfinansować. Obecnie opieramy się na pieniądzach z Narodowego Centrum Nauki i Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, o które nadal będziemy aplikować.