«Βιοϋλικά» είναι μία λέξη άγνωστη στους πολλούς, κλειδί, όμως, για την αναγεννητική ιατρική!
Πρόκειται για βιοσυμβατά υλικά που μπορούν να προσαρμοστούν στον οργανισμό του ασθενούς που χρειάζεται εμφύτευμα χωρίς να προκαλέσουν ανεπιθύμητες παρενέργειες. Μπορούν να αποτελέσουν την απάντηση σε όσους υποφέρουν από τραυματισμούς, εκφυλιστικές νόσους ή καρκίνο.
Η αναπληρώτρια καθηγήτρια στο Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών (ΤΕΤΥ) του Πανεπιστημίου Κρήτης Δρ. Μαρία Χατζηνικολαΐδου εξηγεί ότι το επιστημονικό πεδίο των βιοϋλικών είναι ιδιαίτερα επίκαιρο λόγω της χρήσης των βιοϋλικών στη μηχανική ιστών και στην εμβιομηχανική, καθώς προσφέρουν ένα πλήθος θεραπευτικών στρατηγικών στην αναγεννητική ιατρική.
Σημειώνεται πως ως βιοϋλικά ορίζονται βιοσυμβατά υλικά, τα οποία, κατά την αλληλεπίδρασή τους με ένα σύστημα ξενιστή (οργανισμού λήπτη), αναμένεται να οδηγήσουν σε μια κατάλληλη και χωρίς ανεπιθύμητες παρενέργειες απόκριση.
Τα βιοϋλικά συνεισφέρουν στην αναγεννητική ιατρική ως εξατομικευμένα – για τις ανάγκες κάθε ασθενούς – εμφυτεύματα για την αναδόμηση και αποκατάσταση ελλειμμάτων, τραυμάτων και λειτουργικών βλαβών σε ιστούς και όργανα του ανθρώπινου σώματος.
Ο ρόλος του ΤΕΤΥ
Οι ευρωπαϊκές χώρες, οι ΗΠΑ, ο Καναδάς, η Κίνα, η Ιαπωνία, η Κορέα, η Αυστραλία παρουσιάζουν ιδιαίτερη ανάπτυξη στο διεπιστημονικό πεδίο των προηγμένων βιοϋλικών και των νέων τεχνολογιών κατασκευής τους προσφέροντας θεραπευτικές λύσεις για την αποκατάσταση ιστών. Στην Ελλάδα, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια, έχει συντελεστεί σημαντική πρόοδος προς την κατεύθυνση αυτή.
«Στο Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστημίου Κρήτης, ένας σημαντικός αριθμός μελών ΔΕΠ δραστηριοποιούνται ερευνητικά και εκπαιδεύουν φοιτητές σε αυτό το διεπιστημονικό πεδίο αιχμής με στόχο τη σχεδίαση και ανάπτυξη καινοτόμων βιοϋλικών, τη μελέτη της βιοσυμβατότητας και της εμβιομηχανικής τους συμπεριφοράς για την πρόβλεψη βιολογικών αποκρίσεων και πρόληψη νοσημάτων, στοχεύοντας σε εφαρμογές τους ως προηγμένα θεραπευτικά ιατρικά προϊόντα (advanced therapy medicinal products, ATMPs).
Οι διεπιστημονικές συνέργειες με άλλες ομάδες σε εθνικό και διεθνές επίπεδο προάγουν την καινοτομία στη χώρα μας, διασφαλίζουν θέσεις εργασίας και συνεισφέρουν στην ανάπτυξη της κοινωνίας και της οικονομίας» σημειώνει η καθηγήτρια.
Εμφυτεύματα σχεδιασμένα για κάθε ασθενή
Τα βιοϋλικά, φυσικά ή συνθετικά, απλά, σύνθετα, ή υβριδικά, μπορούν να συμβάλουν στην αντιμετώπιση ελλειμμάτων που αφορούν ιστούς όλων των συστημάτων του ανθρώπινου οργανισμού και που έχουν προκληθεί από τραυματισμούς, εκφυλιστικές νόσους ή καρκίνο.
Χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή εμπορικών εμφυτευμάτων σε βιομηχανική κλίμακα, σε επιθυμητές διαστάσεις, με συγκεκριμένη γεωμετρία, αρχιτεκτονική και προδιαγραφές, μέσω προηγμένων τεχνολογιών διεργασίας, μορφοποίησης και ταχείας πρωτοτυποποίησης, όπως της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D printing). Για παράδειγμα, ένας ασθενής με έλλειμμα στη γνάθο που χρειάζεται αποκατάσταση θα μπορεί να λάβει ένα τρισδιάστατο μόσχευμα από βιοϋλικό ως ικρίωμα με τις ακριβείς διαστάσεις και τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική ειδικά σχεδιασμένο για το πρόσωπό του.
Ομοίως, τα βιοϋλικά μπορούν να συμβάλουν στην αντιμετώπιση κινητικών προβλημάτων των άκρων. Επίσης, τα οδοντικά εμφυτεύματα είναι βιοϋλικά, κυρίως μεταλλικά (π.χ. κράματα τιτανίου) ή κεραμικά (π.χ. ζιρκονία), και χρησιμοποιούνται για την αντικατάσταση της ρίζας ενός δοντιού μετά από εξαγωγή λόγω προχωρημένης περιοδοντικής νόσου ή εκτεταμένης απώλειας της μύλης του από τερηδόνα ή κατάγματα.
Τα βιοϋλικά ως φορείς φαρμάκων
Τα βιοϋλικά αποτελούν φορείς για την ενσωμάτωση φαρμάκων και την απελευθέρωσή τους στον οργανισμό, συχνά με τη μορφή μικροσφαιριδίων μέσα στα οποία μπορεί να ενθυλακωθεί ένα φάρμακο, π.χ. αντιμικροβιακό, αντιφλεγμονώδες ή αντικαρκινικό. Αυτά αποτελούν «ευφυή» προϊόντα βιονανοτεχνολογίας με πολλαπλές εφαρμογές.
Αξιοποιώντας την αναγεννητική δυναμική του ανθρώπινου σώματος μέσω μηχανικά κατασκευασμένων βιοϋλικών προσφέρονται απλές και αποτελεσματικές προσεγγίσεις για την αντικατάσταση τραυματισμένων ή προσβεβλημένων από νόσους ιστών. Επίσης, τα βιοϋλικά ως τρισδιάστατα ικριώματα αποτελούν συστήματα – “μοντέλα’ για τη μελέτη φαρμάκων και νοσημάτων συνεισφέροντας στην πρόληψή τους, λόγω της ιδιότητάς τους να μιμούνται μέσω μορφοποίησης τα χαρακτηριστικά του μικροπεριβάλλοντος των ιστών και των οργάνων.
Τα βιοϋλικά στη μηχανική ιστών
Η in situ αναγέννηση ιστών αξιοποιεί την αναγεννητική ικανότητα του οργανισμού να ελέγχει τις κυτταρικές λειτουργίες για την αποκατάσταση ιστών. Η σχεδίαση βιοϋλικών για την in situ μηχανική ιστών απαιτεί ακριβή έλεγχο των βιοχημικών και βιοφυσικών παραγόντων για να κατευθύνουν τα ενδογενή κύτταρα στο σημείο του ελλείμματος. Αυτοί οι συντελεστές απαιτούνται για να επάγουν αναγέννηση διαμορφώνοντας το εξωκυτταρικό μικροπεριβάλλον ή καθοδηγώντας τον κυτταρικό επαναπρογραμματισμό.
Συνεπώς, δύο προσεγγίσεις βιοϋλικών που ελέγχουν την αναγεννητική ικανότητα του οργανισμού για ιστο-ειδική ανάπλαση περιλαμβάνουν:
(α) τη χρήση βιοαποκρίσιμων υλικών με ικανότητα κατεύθυνσης ενδογενών κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων ανοσοκυττάρων και προγονικών ή βλαστικών κυττάρων, για τη διευκόλυνση της επούλωσης, ενσωμάτωσης και αναγέννησης των ιστών, και
(β) την εστίαση στον in situ κυτταρικό επαναπρογραμματισμό μέσω διανομής μεταγραφικών παραγόντων, θεραπευτικών μέσων βασισμένων σε RNA, in vivo γονιδιακής επεξεργασίας και βιοϋλικών που οδηγούν σε επιγενετική μεταβολή.
Κατά το διάστημα των τελευταίων 50 ετών έχουν πραγματοποιηθεί διάφορα στάδια στην ανάπτυξη των βιοϋλικών. Η πρώτη γενιά βιοϋλικών ξεκίνησε το 1960-1970 και αποτελούνταν από “αδρανή” υλικά, τα οποία δεν αντιδρούν με τον οργανισμό, με σκοπό να μειώσουν τον κίνδυνο μιας πιθανής αρνητικής ανοσολογικής απόκρισης στο εμφύτευμα. Τη δεκαετία του 1990, αντικαταστάθηκαν από τη δεύτερη γενιά βιοϋλικών που ήταν σχεδιασμένα να είναι “βιοενεργά”, δηλαδή να αντιδρούν με τους ιστούς και τα υγρά του σώματος, συμβάλλοντας στην τοπική επούλωση.
Βιοϋλικά, γιατί;
Η Δρ. Μαρία Χατζηνικολαΐδου εξηγεί πως τα τελευταία τριάντα χρόνια τα βιοϋλικά αποτελούν αντικείμενο εκτεταμένης επιστημονικής και τεχνολογικής έρευνας με σκοπό τη θεραπεία νόσων και την ανακούφιση του πόνου.
Η θεραπεία δεν περιορίζεται πλέον στις συμβατικές παθητικές συσκευές, αλλά στον συνδυασμό ιατρικών διατάξεων που περιλαμβάνουν βιοϋλικά και την απαραίτητη θεραπευτική αγωγή. «Σήμερα, τα βιοϋλικά βρίσκουν εφαρμογές σε περισσότερες από 8.000 ιατρικές διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την επιδιόρθωση του σκελετικού συστήματος, την αποκατάσταση της λειτουργίας του καρδιοαγγειακού συστήματος, την αντικατάσταση οργάνων και την επαναφορά αισθήσεων», σημειώνει.
Παρότι τα βιοϋλικά έχουν αποδεδειγμένα σημαντικό αντίκτυπο στη θεραπεία νόσων, υπάρχει επιτακτική ανάγκη για τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη πολυμερικών, κεραμικών, μεταλλικών, και σύνθετων συστημάτων με βελτιωμένες ιδιότητες, καθώς και των μεθόδων χαρακτη-
ρισμού τους. Για την ανάπτυξη νέων υπερσύγχρονων ιατρικών τεχνολογιών συνεργάζονται πολλές επιστημονικές ειδικότητες, όπως επιστήμονες υλικών, χημικοί, βιολόγοι, μηχανικοί, φυσικοί, και γιατροί, οι οποίοι καθορίζουν και αξιολογούν τα βιολογικά χαρακτηριστικά στοχεύοντας στη βέλτιστη αλληλεπίδραση των βιοϋλικών με τους ιστούς. Μέρος του άρθρου παρουσιάστηκε στο Ηλεκτρονικό Περιοδικό του Πανεπιστημίου Κρήτης ΤΡΙΤΩΝ, τεύχος 4 (2022).