Chytré biosenzory pro implantáty: cesta k časnější diagnostice infekcí

Vyvíjí inteligentní biosenzory pro včasnou diagnostiku zánětů spojených s kloubními náhradami, které dokážou spolehlivě určit původce infekce, takže umožní nasadit cílenou léčbu. Navíc umí detekovat zánět ještě v subklinické fázi. Na výrazně interdisciplinárním projektu, který byl podpořen Agenturou pro zdravotnický výzkum (AZV) ČR a získal cenu ministra zdravotnictví za zdravotnický výzkum a vývoj, Ing. Elena Tomšík, Ph.D., z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR spolupracuje s kolegy z Fakultní nemocnice Motol a Homolka, Českého vysokého učení technického a Vysoké školy chemicko‑technologické v Praze. „Kdybych hodně předbíhala, naše polymerní biosenzory nemusejí být výhledově využitelné pouze pro kloubní náhrady, ale třeba i pro jiné tělní implantáty,“ říká v rozhovoru pro Medical Tribune.

• Periprotetické infekce představují jednu z nejzávažnějších komplikací totálních náhrad kloubů. Kde jste jako vývojářka biosenzorů viděla největší diagnostickou mezeru, kterou aktuální postupy nedokážou pokrýt?

Problematice vodivých polymerů a elektrochemii se věnuji již mnoho let a diagnostika sama o sobě je oborem, který bude vždy aktuální a bude přinášet výzvy ke zlepšení diagnostických nástrojů a postupů, citlivosti, možnosti a rychlosti detekce. A právě diagnostika infekce kloubní náhrady je velmi složitá a nese s sebou mnohá úskalí. Navíc se jedná o celospolečenské téma, které se týká relativně velké části populace. Zatím neexistuje žádný jednoduchý test, který by mohl potvrdit, že se jedná o infekci kloubní náhrady. Musí se provádět množství vyšetření, jež jsou drahá a časově náročná. Proto mi tato oblast přijde velmi zajímavá a představuje pro mě výzvu, kde vidím možnosti řešení.

• Současná diagnostika je často založena na systémových laboratorních parametrech nebo kultivačních metodách. V čem je podle vás zásadní výhoda lokální elektrochemické detekce změn v mikroprostředí implantátu?

Infekce kloubní náhrady je spojena s tvorbou biofilmu na povrchu implantátu. V případě vzniku biofilmu, a to hovoříme o empirickém intervalu dvou až čtyř týdnů, už se nedaří zachránit původní implantát a musí se v rámci velkých a náročných operačních výkonů vyměnit za nový. Proto je potřeba vyvinout diagnostické řešení, které by upozornilo na kolonizaci implantátu a rozvoj nežádoucího zánětu podstatně dříve, než je tomu v současné době. Jako důkaz toho, že jde o opravdu důležitou a zásadní diagnostickou výzvu, vnímám i to, že součástí našeho výzkumného týmu a projektu je také Fakultní nemocnice Motol a Homolka, která se řadí ke špičkovým zdravotnickým zařízením. Společně velmi výhledově vidíme jako ideální možnost fakt, že současné kloubní implantáty nahradí chytré implantáty s integrovanou diagnostickou funkcí.

• Změny pH jsou považovány za časný projev bakteriální aktivity. Jak brzy po vzniku infekce je váš potenciometrický biosenzor schopen tyto změny zachytit v porovnání s klinicky používanými metodami?

Změny pH skutečně patří mezi velmi časné projevy bakteriální aktivity, nicméně jejich konkrétní dynamika nebyla v literatuře dosud systematicky kvantifikována. Proto jsme se nejprve zaměřili na studium vývoje pH u vybraných běžných patogenů, konkrétně Staphylococcus aureus, Escherichia coli, MRSA, Pseudomonas aeruginosa a kvasinkového patogenu Candida albicans. Analýza ukázala, že jednotlivé mikroorganismy vykazují odlišné časové profily změn pH, což může představovat důležitý indikátor povahy infekce. Náš potenciometrický biosenzor je přitom schopen tyto změny zachytit v reálném čase již během několika minut od jejich vzniku. Ve srovnání s klinicky používanými metodami, které obvykle vyžadují kultivaci vzorku a poskytují výsledky v řádu hodin až dnů, náš přístup nabízí výrazně rychlejší detekci časných známek infekce.

• Můžete podrobněji vysvětlit, na jakém principu vámi vyvíjený potenciometrický biosenzor funguje?

Je to naše know‑how a unikátnost přínosu v rámci spolupráce, nicméně se to pokusím nastínit alespoň obecně. K výrobě biosenzoru využíváme znalosti z vlastností vodivých polymerů a jejich schopnost měnit vodivost v přítomnosti iontu. Další možností modifikace je zabudování chelatačních látek do struktury vodivého filmu. V neposlední řadě musíme zmínit, že film je potažen non‑biofoulingovou vrstvou, která zajistí to, aby se na samotném biosenzoru nezachytávaly nežádoucí proteiny, které by mohly rušit celý diagnostický postup.

• Je samotná detekce změn pH dostatečně specifická pro bakteriální infekci, nebo pracujete s kombinací více biomarkerů pro zvýšení diagnostické jistoty?

Detekce změn pH je důležitá, ale pro specifickou identifikaci procesů není dostačující. Proto pracujeme na vývoji řady polymerních senzorů, které budou detekovat různé markery, například ionty vápníku, reaktivní formy kyslíku, ionty železa nebo defenziny. Více ale bohužel nemohu odkrývat.

• V jaké fázi experimentálního, respektive klinického ověřování se nyní nacházíte? A jaké parametry budou rozhodující pro přijetí metody v praxi?

V laboratorních podmínkách fungují polymerní senzorické vrstvy spolehlivě. Nyní je kolegové z Fakultní nemocnice Motol a Homolka testují na klinických vzorcích od pacientů. Získaná diagnostická data nám poskytnou a my je následně porovnáme s naší databází laboratorních výsledků.

Se spolupracujícími partnery se domníváme, že klíčové pro přijetí v běžné praxi budou reverzibilita a dlouhodobá stabilitu biosenzorů. Pak bych rozhodně chtěla zdůraznit, že důležitá bude i jejich zdravotní nezávadnost.

• Mimochodem, co bylo z vašeho pohledu při vývoji biosenzoru nejnáročnější?

Asi vyvinout metodu nanesení polymerní vrstvy na elektrodu. Jde totiž o to, aby byla nanesena rovnoměrně, homogenně, byla stabilní, trvale držela na kloubní náhradě, perfektně odolávala mechanickému namáhání a nebyla narušena biologickým prostředím v těle pacienta. Takže těch faktorů je poměrně hodně.

• Vidíte potenciál využití senzoru také intraoperačně, například při revizních výkonech, nebo při jiných klinických situacích?

Určitě ano. V rámci našeho konsorcia vnímáme jako velmi perspektivní využití poznatků získaných při vývoji implantabilních polymerních senzorů také pro rychlou a cílenou diagnostiku zánětu v klinickém prostředí. Intraoperační nasazení by mohlo lékařům poskytnout okamžitou informaci o aktuálním stavu tkáně a podpořit rozhodování při revizních výkonech nebo jiných akutních situacích, kdy je třeba zvolit další postup v reálném čase. Zároveň vidíme potenciál i v širším spektru klinických aplikací, například při monitorování pooperačního průběhu nebo včasné detekci komplikací.

Přestože jde o dlouhodobý cíl, věříme, že propojení materiálového výzkumu s klinickými potřebami může významně přispět k efektivnější a přesnější diagnostice v nemocniční praxi.

• A je vaším cílem navrhnout spíše externí diagnostický nástroj, nebo uvažujete o integraci senzoru přímo do implantátu?

Pracujeme na vývoji obou variant, jelikož každá z nich by našla své využití. První zmíněná varianta může sloužit pro rychlou diagnostiku po odebrání tělní tekutiny od pacienta – a nemusí to být omezeno pouze na pacienty s kloubní náhradou. V případě, že by byl biosenzor integrován přímo do endoprotézy, sloužil by primárně pro časové monitorování lékařem, že je vše v pořádku. Nebo případně pro rychlé odhalení počínajícího zánětu při lékařské kontrole.

• Pokud by bylo možné zachytit infekci v subklinické fázi, jak by to mohlo ovlivnit antibiotickou strategii a prevenci rozvoje závažných komplikací?

Je zřejmé, že pokud odhalíme zánět rychle, ještě než dojde ke zformování biofilmu, můžeme implantát zachránit – to znamená provést pouze revizi a aplikovat lokální nosiče antibiotik bez nutnosti jeho odstranění. Tento přístup by mohl umožnit nejen rychlou diagnostiku, ale také rychlé nasazení účinné léčby a zároveň i sledování jejího účinku v reálném čase.

• Váš interdisciplinární výzkumný projekt byl podpořen AZV ČR a získal cenu ministra zdravotnictví. Co to pro vás znamenalo?

Udělené ocenění, kterého si moc vážíme, vlastně potvrdilo důležitost a prestiž řešeného projektu. Na úspěšné výsledky jsme navíc mohli od letošního roku navázat novým projektem financovaným AZV ČR. Od začátku jsme měli se všemi spolupracujícími partnery – Fakultní nemocnicí Motol a Homolka, Českým vysokým učením technickým a Vysokou školou chemicko‑technologickou v Praze – za cíl vymyslet diagnostický nástroj, který by našel opravdu reálné využití a posunul dál hranice diagnostických metod.

A jak to navíc bývá ve vědě běžné, určitě nám to otevře dveře k dalším nápadům a novým tématům výzkumu. Kdybych hodně předbíhala, naše polymerní biosenzory nemusejí být výhledově využitelné pouze pro kloubní náhrady, ale třeba i pro jiné tělní implantáty. Pro mě samotnou je tento výzkum velmi zajímavý, jelikož mě to vede k tomu, že o tématu vodivých polymerů a elektrochemie potřebuji uvažovat trochu jinak. Například v jiných souvislostech a měřítkách pro aplikaci vyvíjených biosenzorů jako integrované součásti kloubních náhrad.

• Jak složitá je cesta od akademického výzkumu k certifikovanému zdravotnickému prostředku z hlediska regulace a technologického škálování?

Řekla bych, že je to cesta velmi náročná a dlouhodobá. Jelikož se primárně věnuji základnímu výzkumu, není pro mě v raných fázích vždy snadné domyslet všechny technologické a zejména regulatorní požadavky, které se objeví při transferu výsledků do praxe. Přechod od laboratorního principu k certifikovanému zdravotnickému prostředku vyžaduje další výzkum, validaci procesů, prokázání bezpečnosti i úzkou spolupráci s průmyslovými a klinickými partnery.

V případě našich senzorů proto předpokládám, že jejich certifikace potrvá ještě řadu let. Kromě technologického škálování je nutné splnit přísné regulatorní požadavky a získat dostatečná data pro klinické hodnocení. Přesto tuto náročnou cestu vnímám jako nezbytnou, aby výsledky základního výzkumu mohly mít reálný dopad v praxi a pacientům přinést užitek. A pevně doufám, že inteligentní kloubní náhrady se jednou stanou běžnou součástí medicíny.