Badania i nauka

Potencjał badawczo-wdrożeniowy zespołów skupionych na Platformie jest bardzo szeroki, obejmujący opracowania z inżynierii biomedycznej, biotechnologii, mikrobioanalityki, czy też inteligentnych materiałów. Jako przykłady obszarów tematycznych planowanych projektów R&D warte wymienienia są:

Projektowanie i technologie wytwarzania materiałów funkcjonalnych o wysokim stopniu biozgodności

Biomateriały znajdują zastosowanie w użytku medycznym już od wielu lat. Potrzeba biokompatybilności (biozgodności) w trosce o zdrowie pacjentów powoduje stale rosnące oczekiwania w stosunku do materiałów stosowanych do produkcji urządzeń diagnostycznych i terapeutycznych, takich jak: cewniki, stenty, implanty.

Dwa zespoły Platformy pracują nad opracowaniem efektywnych metod otrzymywania biozgodnych  i hemozgodnych (przeznaczonych do kontaktu z krwią) materiałów polimerowych. Powierzchnie zmodyfikowanych przez nich polimerów wykazują specyficzne działanie adhezyjne komórki tkanek naczyń krwionośnych, dzięki czemu możliwe będzie otrzymanie powierzchni "hybrydowych", doskonale integrujących się z organizmem pacjenta. Opracowano innowacyjną metodę otrzymywania biozgodnych i hemozgodnych powłok na powierzchni metali, dzięki którym powierzchnia metalu może stać się naturalna dla organizmu. Ta technologia miałaby zastosowanie w produkcji np. stentów wieńcowych nowej generacji.

Biologiczne zamienniki tkanek i narządów z zastosowaniem biomateriałów i komórek oraz procesu biofabrykacji

Nowoczesne metody formowania trójwymiarowych struktur z materiałów inżynierskich i komórek umożliwiają wierne odwzorowanie budowy oraz funkcji zastępowanych części organizmu. Zastosowane nowe biomateriały będą pełniły zarówno rolę nośnika komórek jak i bioaktywnego rusztowania dla nowotworzonych tkanek. Zaawansowane metody hodowli z użyciem bioreaktorów pozwolą otrzymać w pełni funkcjonalne biologiczne substytuty tkanek i narządów.Otrzymane biologiczne zamienniki z komórek pochodzących od pacjenta mogę zostać użyte bezpośrednio w leczeniu ubytków jego tkanek i narządów. Mogą również stanowić 3D modele biologiczne zdrowych lub zmienionych chorobowo części organizmu pacjenta niezbędne do testowania nowych lub doboru istniejących leków lub metod leczenia. Inżynieria tkankowa jest szansą na leczenie uszkodzeń i zmian chorobowych tkanek i narządów poprzez wytworzenie ich biologicznych substytutów dzięki połączeniu wiedzy inżynierskiej i medycznej.

Projektowanie oraz konstruowanie nowoczesnych urządzeń na potrzeby diagnostyki medycznej

Nowe techniki diagnostyki medycznejmają dwa podstawowe zadania do spełnienia:

• ułatwić lekarzowi podjęcie szybkiej decyzji co do przebiegu dalszej terapii (na przykład ma to znaczenie gdy trzeba szybko ustalić czy pacjent został efektywnie zdializowany)
• pozwolić pacjentowi monitorować przebieg leczenia i rozwój choroby w domu, w sposób tak prosty jak dziś wykonuje się testy ciążowe lub testy na zawartość narkotyków w moczu

Obecna strategia przeprowadzania badań diagnostycznych oraz ich kolejność opiera się głównie na widocznych i już rozwiniętych objawach chorobowych. Niestety do dziś rozpoznaje się i leczy schorzenia dopiero w zaawansowanym stadium, gdzie właściwym kierunkiem rozwoju diagnostyki powinno być przewidywanie i zapobieganie chorobom. Wczesne wykrycie np. tkanki nowotworowej ma nie tylko zasadnicze znaczenie dla zrozumienia mechanizmów jej powstawania, ale przede wszystkim decyduje o wyborze właściwej terapii, a tym samym o szansie wyleczenia pacjenta. Szybka i trafna diagnoza umożliwia skrócenie czasu leczenia i rehabilitacji chorego, co za tym idzie – zmniejsza również koszty leczenia.

Planowane są prace nad zminiaturyzowanymi urządzeniami analitycznymi umożliwiające wczesną, tanią i bezinwazyjną diagnostykę chorób, jakimi są biosensory. Badania będą koncentrowały się na: (i) projektowaniu odpowiednich warstw receptorowych biosensorów odpowiedzialnych za rozpoznawanie molekularne markerów chorobowych, pojawiających się w organizmie na długo przed pierwszymi objawami choroby oraz (ii) opracowaniu wytwarzania przetworników w oparciu o nowoczesne technologie półprzewodnikowe i/lub zastosowanie elektroniki drukowanej. Urządzenia te przeznaczone będą głównie do wykrywania chorób nowotworowych, degeneracyjnych, czy też cywilizacyjnych.

Docelowo urządzenia te będą mogły bezprzewodowo przesyłać wyniki analiz np. do telefonu komórkowego, a prostota ich funkcjonowania umożliwi ich obsługę przez osoby bez wykształcenia medycznego. Zastosowanie tego typu urządzeń przyczyni się do poprawy wykrywalności chorób, w tym chorób nowotworowych, umożliwiając objęcie diagnostyką szerszej grupy osób, niż jest to możliwe przy zastosowaniu dotychczasowych metod analitycznych.

Przewiduje się także zastosowanie nowoczesnych narzędzi i technik, w tym miniaturowych systemów „Lab-on-Chip” domodyfikacjiniektórych stosowanych obecnie procedur diagnostycznych. Nastąpi to na drodze weryfikacji dotychczasowej  wiedzy na temat rozwoju, morfologii i terapii guzów nowotworowych, a następnie wykorzystaniu otrzymanych wyników badań do zwiększenie skuteczności terapii, co przyczyni się do poprawy jakości życia osób cierpiących na choroby nowotworowe. Z kolei badanie funkcji komórek macierzystych umożliwi poznanie mechanizmu różnicowania się ich do określonych typów komórek (np. mięśnia sercowego). Wytworzony model posłuży do testowania nowoopracowywanych związków o działaniu terapeutycznym (w tym przypadku w chorobach serca).

Szczególnie interesująca wydaje się koncepcja elektronicznych tatuaży do monitorowania stanu zdrowia człowieka. Są to elastyczne, jednorazowe urządzenia elektroniczne połączone z innymi urządzeniami osobistymi jak smartfony czy tablety. Wykonane na elastycznych podłożach przyklejanych na powierzchni skóry będą mogły służyć do nieinwazyjnego monitorowania stanu ludzkiego organizmu jak monitorowanie poziomu stresu, badanie poziomu elektrolitów, pomiaru pulsu czy monitorowania zmian stężenia glukozy we krwi. Pomiar odbywałby się bezpośrednio na powierzchni skóry, w pocie (czujniki chemiczne) lub w oparciu o inne właściwości skóry (przewodność, elastyczność) na zasadzie komunikacji zbliżeniowej. Odpowiednie urządzenie odczytujące (np. telefon komórkowy) byłoby zbliżane do tatuażu umieszczonego na skórze, a bezprzewodowe zasilanie uruchamiałoby odpowiedni czujnik.

Silny merytoryczny udział w realizacji projektów na rzecz medycyny deklarują także inne grupy zrzeszone w Platformie InterBioMed_PW, dysponując znakomitymi ekspertami w zakresie:

• nanotechnologii, m.in.:
  • projektowanie nowych inhalatorów i układów inhalacyjnych
  • materiałów kompozytowych wspomagających leczenie ubytków kostnych
  • projektowania i wytwarzania zaawansowanych rusztowań do regeneracji i odbudowy tkanki chrzęstnej, kostnej i nerwowej
  • wykorzystania nanokrystalicznego tytanu w bioinżynierii
• nowoczesnych techniki obrazowania, m.in.:
  • termografii dynamicznej do obrazowania aktywności mięśni
  • technik obrazowych medycyny nuklearnej
  • tomografii komputerowej i rentgenowskiej
  • analizie obrazów tomograficznych w badaniu angiograficznych tętnic
• układów i metod diagnostyki biomedycznej, m.in.:
  • zdalnego pomiaru oddechu metodami optycznymi
  • badania jakości widzenia i wrażliwości ludzkiego wzroku na kontrast
  • bezpośredniej komunikacji mózg-komputer, z wykorzystaniem sygnałów EEG pozyskanych wyłącznie w trybie bezinwazyjnym
  • badań w zakresie wykrywania emocji
  • badań zmienności rytmu serca oraz innych zmiennych układu krążenia
• elektroniki i informatyki, m.in.:
  • modelowania procesów regeneracji tkanek (gojenie kości, angiogeneza, różnicowanie tkanek) oraz rozwoju zmian chorobowych (osteoporoza, osteoartroza)
  • telerehabilitacji schorzeń narządów zmysłów (słuchu, mowy, równowagi, powonienia)
  • personalizowanej nanomedycynie w czasie rzeczywistym

Znajdujemy się tuż przed prawdziwym szturmem nowatorskich technologii. Obecnie szacuje się, że między innymi, ponad 500 światowych firm zajmuje się wytwarzaniem substratów i elementów do różnego typu modułów diagnostycznych a 70 bezpośrednio produkcją biochipów. Szansę dla rozwoju projektów z obszaru BIO (inżynieria biomedyczna, biotechnologia, bioinżynieria) w Politechnice Warszawskiej stwarza ścisła współpraca Platformy InterBioMed z Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii (CEZAMAT).

Jesteśmy przekonani, że planowane w CEZAMAT przedsięwzięcia  przyczynią się  powstania innowacyjnych rozwiązań na potrzeby diagnostyki medycznej i nowoczesnych, spersonalizowanych terapii, a to pomoże wydłużyć i poprawić jakość ludzkiego życia.