WUMed | Diagnostyka przyszłości: polimer zdolny ostrzec o groźnych chorobach nerek
03 maja 2021
Czy wiesz, że...

Zaawansowana faza ostrego uszkodzenia nerek może skończyć się śmiercią nawet co drugiego pacjenta. Na szczęście chorobę będzie można teraz wykrywać na jej początkowym etapie rozwoju, gdy leczenie jest jeszcze stosunkowo proste, a rokowania dobre. Kluczem do ratującej zdrowie i życie diagnostyki jest nowy polimer, zaprojektowany w warszawskim Instytucie Chemii Fizycznej PAN.

Chemicznym „sercem” tanich przyrządów diagnostycznych, zdolnych wykryć wczesne stadia chorób nerek, w nieodległej przyszłości może być specjalny polimer, przygotowany w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie przez mgr inż. Zofię Iskierko pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Noworyty z grupy prof. dr. hab. Włodzimierza Kutnera.

Polimer zaprojektowano i starannie skonstruowano w taki sposób, żeby szczególnie efektywnie wychwytywał ze swego otoczenia tylko jedną substancję: lipokalinę-2 (NGAL), białko naturalnie obecne we krwi człowieka. Dla lekarza wzrost stężenia tego związku u pacjenta to cenny sygnał o jeszcze nie dającym wyraźnych objawów, ale już się rozwijającym ostrym uszkodzeniu nerek. Prace nad wykonaniem polimeru, sfinansowane z grantu Narodowego Centrum Nauki, zrealizowano we współpracy z University of North Texas w Denton oraz warszawskimi Instytutem Fizyki PAN i Międzynarodowym Instytutem Biologii Molekularnej i Komórkowej.

„Zajmujemy się tworzeniem polimerowych warstw rozpoznających do chemosensorów wykrywających różne substancje. Wśród nich są m.in. biomarkery, czyli związki istotne biologicznie, których obecność lub zmiana stężenia w płynach ustrojowych niesie informację o zdrowiu pacjenta. Nasz najnowszy polimer potrafi wychwytywać lipokalinę-2, białko będące biomarkerem ostrego uszkodzenia nerek”, mówi dr Noworyta.

Na ostre uszkodzenie nerek (wcześniej znane jako ostra niewydolność nerek) cierpią mniej więcej trzy osoby na tysiąc. Na oddziałach szpitalnych sytuacja wygląda jednak znacznie groźniej: choroba ta może dotyczyć nawet 40% hospitalizowanych. Skutki wcześnie wykrytego ostrego uszkodzenia nerek są odwracalne. Wyraźne objawy choroby – takie jak osłabienie, wymioty czy zaburzenia świadomości – występują jednak dopiero w zaawansowanej fazie jej rozwoju, gdy możliwe komplikacje stają się poważnym zagrożeniem dla życia (w najbardziej zaawansowanym stadium śmiertelność dochodzi nawet do 50%!). Uszkodzenia nerek, które pojawiają się w późnych fazach choroby, mogą być już trwałe i wymagać stałych dializ, a nawet transplantacji całego organu.

„Zanim ostre uszkodzenie nerek się rozwinie, we krwi chorego rośnie stężenie lipokaliny. Zaprojektowaliśmy więc  polimer, w którego strukturze znajdują się luki molekularne bardzo dobrze dopasowane do kształtu i właściwości cząsteczek właśnie tego związku. Prawdopodobieństwo, że ugrzęźnie w nich jakieś inne białko, jest bardzo, bardzo małe”, wyjaśnia doktorantka Zofia Iskierko, pierwsza autorka publikacji w czasopiśmie „ACS Applied Materials & Interfaces”.

Nowy polimer wykonano metodą wdrukowania molekularnego. Cząsteczki lipokaliny otoczono najpierw odpowiednio dobranymi, krótkimi polimerami (tzw. funkcyjnymi), wiążącymi się z tym białkiem w specyficznych, charakterystycznych tylko dla niego miejscach. Następnie wprowadzono drugi polimer, sieciujący, który łączył się z polimerem funkcyjnym. Polimer sieciujący poddano później polimeryzacji, po czym z tak powstałej struktury wypłukano lipokalinę. Ostatecznie otrzymano trwałą warstwę polimerową z lukami molekularnymi dopasowanymi do cząsteczek lipokaliny zarówno pod względem ich lokalnych cech chemicznych, jak teżrozmiaru i kształtu.

„Gdy cząsteczki lipokaliny w badanym roztworze wejdą w kontakt z tak uformowanym polimerem, część z nich ma szansę ulokować się w lukach. Białka są jednak dość duże i niechętnie migrują przez sieć polimerową. Dlatego strukturę naszego polimeru musieliśmy sztucznie rozluźnić, wystarczająco, by zapewnić cząsteczkom lipokaliny jak najlepszy dostęp do jak największej liczby luk, ale nie przesadnie, żeby warstwa polimerowa się nie zapadła”, opisuje dr Noworyta.

Wymaganą porowatość przy zachowaniu dostatecznej wytrzymałości mechanicznej naukowcy z IChF PAN otrzymali dzięki użyciu nieorganiczno-organicznych materiałów mikroporowatych typu MOF (Metal-Organic Framework). Pod względem struktury materiały MOF przypominają trójwymiarowe kratownice o rozmiarach „oczek” zależących od rodzaju użytych atomów metalu i łączących je ligandów. To właśnie na tym szkielecie budowlanym wytwarzano właściwą warstwę detekcyjną. Gdy polimer sieciujący był już utwardzony, podczas usuwania cząsteczek lipokaliny niszczono także – wtedy już niepotrzebny – szkielet MOF. Zabieg dodatkowo skutkował rozbudowaniem powierzchni polimeru, co prowadziło do zwiększenia liczby luk dostępnych dla cząsteczek białka i zapewniało lepszą czułość chemoczujnika.

Warstwa polimerowa po wychwyceniu cząsteczki lipokaliny zwiększa swą masę. Gdyby więc była osadzona na niewielkim oscylatorze piezoelektrycznym, jego łatwa do zmierzenia częstotliwość drgań musiałaby się zmienić. Innym sposobem zidentyfikowania obecności cząsteczek lipokaliny w lukach molekularnych jest pomiar zmian potencjału warstwy detekcyjnej, który wpływa na zmianę prądu płynącego w elemencie przetwarzającym (tranzystorze polowym). Ze względu na swoją prostotę i niezawodność, to ostatnie rozwiązanie nadawałoby się zwłaszcza do chemoczujników handlowych przeznaczonych dla masowego odbiorcy.

„Nasze badania mają charakter podstawowy, laboratoryjny. Od przygotowania polimeru wychwytującego lipokalinę do seryjnej produkcji tanich detektorów, służących profilaktyce i wczesnemu leczeniu chorób, prowadzi jednak dość daleka droga”, podkreśla prof. Kutner.

Niels Bohr, wielki duński fizyk kwantowy, mawiał, że przewidywanie jest trudne, zwłaszcza przyszłości. Racjonalne wydaje się jednak przypuszczenie, że już w przyszłej dekadzie urządzenia wykrywające różne biomarkery i wcześnie ostrzegające o zagrożeniu zdrowia staną się integralną częścią wszechobecnych smartfonów. Przeprowadzenie diagnozy stałoby się wtedy równie proste, jak badanie zawartości cukru we krwi za pomocą współczesnych glukometrów: wystarczyłoby do smartfona podłączyć wymienny, prosty chemoczujnik z odpowiednio dobraną rozpoznającą warstwą polimerową, nanieść na nią odrobinę płynu fizjologicznego i… poczekać, aż smartfon wyświetli wynik. Zaawansowaną diagnostykę medyczną każdy mógłby przeprowadzać sam, tak często, jak uzna to za stosowne.

http://www.twojeinnowacje.pl/diagnostyka-przyszlosci-polimer-zdolny-ostrzec-o-groznych-chorobach-nerek


instytucje współpracujące
Centrum
Konferencyjno-Szkoleniowe
Fundacji
Nowe Horyzonty

Bobrowiecka 9, Warszawa
UPP partnerem WUMed
Unia
Polskich Predsiębiorców

uniapolskichprzedsiebiorcow.pl
Szpital Praski
p.w. Przemienienia Pańskiego
Sp. z o.o.

Aleja Solidarności 67, Warszawa
Szpital Wolski
im. dr Anny Gostyńskiej
Samodzielny Publiczny Zakład Opieki Zdrowotnej

ul. Kasprzaka 17, Warszawa
Instytut
"Pomnik - Centrum Zdrowia Dziecka"
w Warszawie
Szpital Solec
Spółka z o.o.

ul. Solec 93, Warszawa
Narodowy Instytut Geriatrii, Reumatologii i Rehabilitacji
im. prof. dr hab. med. Eleonory Reicher

ul. Spartańska 1, Warszawa
Szpital Dziecięcy
im. prof. dr. med. Jana Bogdanowicza
Samodzielny Publiczny Zakład Opieki Zdrowotnej

ul. Niekłańska 4/24, Warszawa
Szpital Czerniakowski Sp. z o. o.
ul. Stępińska 19/25, Warszawa
Mazowiecki Szpital Bródnowski
ul. Kondratowicza 8, Warszawa
Samodzielny Publiczny
Szpital Kliniczny
im. prof. Adama Grucy
CMKP

ul. Konarskiego 13, Otwock
Szpital Kolejowy
im. dr med. Włodzimierza Roeflera
w Pruszkowie
Szpital Specjalistyczny
im. Świętej Rodziny

Madalińskiego 25, 02-544 Warszawa
Mazowieckie Centrum
Neuropsychiatrii Sp. z o.o.

Zagórze k/Warszawy
05-462 Wiązowna
Samodzielny Zespół Publicznych
Zakładów Lecznictwa Otwartego Warszawa Bemowo-Włochy

ul. Gen. M. C. Coopera 5, Warszawa
Samodzielny Zespół Publicznych Zakładów Lecznictwa Otwartego 
Warszawa-Mokotów

 ul. A.J.Madalińskiego 13, Warszawa
Samodzielny Zespół Publicznych Zakładów Opieki Zdrowotnej
im. Dzieci Warszawy
w Dziekanowie Leśnym
Centrum Medyczne
GRUPA ZDROWIE

Nowodworskie
Centrum Medyczne

ul. Miodowa 2
Nowy Dwór Mazowiecki
Centrum Intensywnej Terapii Olinek
ul. Bobrowiecka 9, Warszawa
Stołeczne Centrum
Opiekuńczo-Lecznicze Sp. z o.o.

ul. Mehoffera 72/74, Warszawa
RADIOMEDICA
Centrum Diagnostyki Obrazowej

ul.Bobrowiecka 9, Warszawa
NESTOR
Bezpieczny Dom Opieki

ul.Bobrowiecka 9, Warszawa
Warszawskie Zakłady
Sprzętu Ortopedycznego S.A.

al. Bohaterów Września 9, Warszawa
Podkarpackie centrum
Usług Dydaktycznych

ul. Rymanowska 15a
35-083 Rzeszów
www.fantomy-szkoleniowe.pl

Kontakt

Warszawska Uczelnia Medyczna
im. Tadeusza Koźluka

ul. Bobrowiecka 9, 00-728 Warszawa

INFORMACJE O UCZELNI / REKRUTACJA:  
T: 22 559 21 05
T: 22 559 21 06
T: 22 559 22 35
E: rekrutacja@wumed.edu.pl
Copyright © 2020 - WUMED