Živá náplast může cíleně reagovat na ekzém

Evropští vědci vyvíjejí tzv. živý materiál, který by dokázal rozpoznat změny kožního mikrobiomu při vzplanutí atopické dermatitidy a následně v místě postižení uvolnit terapeutické látky. Technologie vychází z mikroorganismů využívaných při výrobě kombuchy a v budoucnu by mohla najít uplatnění také v dalších oblastech medicíny a materiálového inženýrství. Výzkum, který byl částečně financován Evropskou radou pro inovace (EIC), zároveň otevírá cestu k nové generaci chytrých materiálů, jejichž součástí jsou živé buňky.

Atopická dermatitida je chronické zánětlivé onemocnění, jehož průběh je charakterizován střídáním období klidu a vzplanutí. Během exacerbací dochází mimo jiné ke změnám kožního mikrobiomu a k přemnožení některých potenciálně patogenních mikroorganismů. Profesor Tom Ellis, odborník na syntetickou genomiku z Imperial College London, věří, že odpověď může spočívat v neobvyklém zdroji: nositelné náplasti, která je v určitém smyslu živá. Spolu s kolegy z celé Evropy patří mezi hlavní výzkumníky evropského projektu NextSkins, financovaného Evropskou unií, který potrvá do roku 2027. Výzkumný tým zkoumá možnosti využití uměle vytvořených živých materiálů (engineered living materials, ELM) pro vývoj nových léčebných postupů založených na živých mikroorganismech, jako jsou bakterie a kvasinky.

Současná léčba atopické dermatitidy je založena především na lokálně aplikovaných přípravcích, které působí poměrně nespecificky. „Působí na všechny buňky a interagují se všemi mikroorganismy na kůži. To není ideální, protože na naší kůži žije mnoho různých bakterií a hub a řada z nich je prospěšná,“ uvedl prof. Ellis. Cílem výzkumníků z projektu NextSkins je proto vyvinout léčbu, která bude cíleně působit na škodlivé mikroorganismy, aniž by narušovala citlivou mikrobiální rovnováhu kůže. Namísto plošného zásahu by tak měla podporovat obnovení jejího přirozeného prostředí.

Náplast, která reaguje na změny mikrobiomu

Jedním z hlavních prototypů, na nichž tým pracuje, je tenká, několik milimetrů silná náplast připomínající strukturu kůže. Její spodní vrstva obsahuje upravené proteiny schopné detekovat enzymy produkované bakteriemi spojovanými se vzplanutím ekzému. Zachycení tohoto signálu následně aktivuje geneticky upravené kvasinky v prostřední vrstvě náplasti, které začnou produkovat a uvolňovat terapeutické molekuly.

„Nositelný produkt by dokázal rozpoznat chemické signály spojené se vzplanutím ekzému a buňky v náplasti by se následně aktivovaly a uvolnily terapeutické látky,“ vysvětluje Marie-Eve Aubin-Tamová, profesorka bionanověd na Technické univerzitě v Delftu, která koordinuje výzkumnou část projektu. Jak vysvětluje, konstrukce náplasti má tři vrstvy. Spodní přichází do kontaktu s kůží, prostřední obsahuje živé buňky a vnější vrstva brání vysychání materiálu. Náplast by přitom mohla pokrývat plochu o velikosti desítek čtverečních centimetrů a technologie by se v budoucnu dala upravit také pro obvazy, návleky nebo vložky do oděvů.

Výhodou tohoto přístupu má být především cílená reakce na konkrétní změny prostředí. Výzkumníci se snaží vytvořit léčbu, která zasáhne škodlivé mikroorganismy, ale současně co nejméně naruší prospěšnou část kožního mikrobiomu.

Základem technologie je bakteriální celulóza, kterou přirozeně vytvářejí mikroorganismy při fermentaci kombuchy. Vědci ji využívají jako matrici, v níž mohou růst geneticky upravené kvasinky. „Tato vrstva se při výrobě kombuchy obvykle jednoduše vyhodí. My ji místo toho využíváme jako prostředí, ve kterém mohou růst geneticky upravené kvasinky,“ vysvětluje prof. Ellis. Badatelé přitom nechtějí, aby byly kvasinky aktivní nepřetržitě. Jsou navrženy tak, aby rozpoznaly chemické signály vznikající ve chvíli, kdy na kůži začnou během vzplanutí ekzému převládat škodlivé bakterie.

Jedna platforma, více využití

Technologie není určena pouze pro léčbu ekzému. Ze stejné matrice z bakteriální celulózy vzniká také samohojivý kompozitní materiál, který by mohl v budoucnu najít využití například v ochranných pomůckách nebo předmětech každodenní potřeby a v budoucnu potenciálně nahradit keramiku nebo plasty. Mezi zamýšlené aplikace patří například helmy, kufry nebo kryty na mobilní telefony.

V tomto případě vědci využívají bakterie rodu Bacillus, které dokážou vytvářet odolné spory. Ty mohou v materiálu zůstávat v neaktivním stavu a za vhodných podmínek se znovu aktivovat. Oba materiály spojuje stejný princip: využití živých buněk k vykonávání funkcí, které běžné materiály nedokážou. Zatímco terapeutická náplast má prostředí snímat a reagovat na ně, druhý materiál má schopnost samoopravy.

Od roku 2022 tým vytvořil první prototypy obou materiálů. Významnou výzvou nyní zůstává jejich uspořádání do přesně definovaných vícevrstvých struktur. Mikroorganismy totiž přirozeně sledují především vlastní růst a dělení. Výzkumníci proto vedle konceptu samoorganizujících se materiálů zkoumají také možnosti 3D tisku, který by umožnil přesnější kontrolu jejich tvaru a struktury. Praktické využití technologie je však podle autorů projektu stále vzdálené. Nejbližším cílem je vytvořit prototyp náplasti, který bude možné testovat na modelech lidské kůže.

Úspěch tohoto výzkumu by mohl posunout využití geneticky upravených ELM výrazně dál než jen k nositelným náplastem. „Když se na živé organismy podíváte z pohledu materiálů, jsou mimořádné. Dokážou růst, reagovat na podněty, samy se hojit, a dokonce se pohybovat,“ popisuje prof. Aubin-Tamová.

Oba vědci se shodují, že ELM by v budoucnu mohly představovat udržitelnější alternativu k materiálům, které dnes běžně používáme. „Když se nad tím zamyslíte, většina materiálů, které používáme, jsou už dnes biomateriály, například dřevo nebo bavlna. V současnosti je jednoduše získáváme z přírody a následně je využíváme.“ říká prof. Ellis.

Skutečným průlomem by podle něho bylo zvládnout škálovat tento způsob řízeného růstu – tedy nejen vyrábět mikroorganismy ve velkém, což je dnes běžné, ale nechat je přímo růst do podoby použitelných materiálů požadovaného tvaru. „Pokud bychom dokázali přeměnit živé organismy přímo v materiály, mohli bychom omezit kácení lesů a snížit uhlíkovou stopu,“ je přesvědčen.

Pokud se podaří potvrdit funkčnost objevů, mohl by projekt představovat jeden z prvních kroků k nové třídě materiálů, které nejen pasivně chrání nebo léčí, ale aktivně vnímají své okolí a podle něj mění své chování.