Mikrojehly z „doby železné“ (rok 2008). Kredit: Daniel Wermeling.

Pravdou je, že náplast  je dílem amerických výzkumníků. Ale není to pravda celá. Jde o výsledky americko-korejského týmu a jaké národnosti přisoudit vůdčí invenci, nechávám na posouzení čtenářů. Jako autoři studie jsou uvedeni: Hyungjun Kim, Heung Soo Lee, Yale Jeon, Woohyun Park, Yue Zhang, Bongjoong Kim, Hanmin Jang, Baoxing Xu, Yoon Yeo, Dong Rip Kim a Chi Hwan Lee.

Pravdou je, že v novince jde o náplast, polymer a silicon, ale je potřeba dodat, že nejde o polymer ve smyslu polysiloxanu (který pod pojmem silikon rozumíme v našich končinách). S anorganicko-organickým polymerem, v jehož molekule se střídají atomy křemíku a kyslíku umožňující pružný řetězec, to nic společného nemá. Pružnost v novince má na starosti polyvinylalkohol a s tím silikonem se to má ve skutečnosti tak, že jehly v náplasti jsou z porézního křemíku (Si), anglicky silicon.
A do třetice i u těch mikrojehel, kterých se to týká, to chce vysvětlení. Nejde o mikrojehly v klasickém slova smyslu, jak jsou známy už celé desetiletí, ale o jejich zcela nový typ. Vyrobený zcela novým způsobem a se zcela novými vlastnostmi. Výsledkem jsou pak i nové léčebné přístupy. Nové je na novém objevu prakticky všechno, a tak to vezmeme popořádku. 

Mikrojehly

PVP mikrojehla s rozpustnými hroty z polyvinylpyrrolidonu (rok 2010). Kredit: Jeong-Woo Lee.

K zavedení mikrojehel do praxe došlo v době, které se říká železná. Psal se rok 2008 a tým Daniela Wermelinga z Kentucky dal ve známost své dobré zkušeností s transdermálním přenosem léčiva u lidí. V dobách začátků šlo tehdy ještě plíšky, z nichž trčelo něco jako ostré špony. Později celá řada prací kovové mikrojehly jen vylepšovala. Až Mark Prausnitze z Emoryho univerzity v Atlantě předvedl jehly, které se po vpichu do kůže rozpustí. Jeho 650 mikronů dlouhé jehličky z polyvinylpyrrolidonu (PVP) se ujaly a pod názvem „PVP jehly“, je známe i dnes. Uplatnění našel tento vynález hlavně při vakcinaci. Nejen, že píchance jsou do značné míry bezbolestné, ale injekci zatlačením do kůže je schopen poskytnou doslova každý. Navíc zavedení imunizační látky do podkoží a na mnoho míst najednou, burcuje imunitní systém víc, než klasická vakcinace do jednoho místa. S pomocí mikrojehel se imunita tvoří snadněji. K dlouhodobějšímu přesnému dávkování léčiva, se ale moc nehodí. Na to se PVP jehly rozpouští příliš rychle. Nejenže nezvládají pozvolné a dlouhodobé uvolňování účinných látek, ale mají hendikep i v ohebnosti nosné vrstvy. Její tuhost nedovoluje kopírovat nerovnosti. A jak známo, rakovina kůže je co do kožních rovných partií, poměrně nevybíravá. O tvořících se novotvarech v kůži a podkoží, ani nemluvě.

Příprava p-Si jehel

Nový typ jehel se získává fotolitografickou technikou a leptáním na plátku monokrystalické křemíkové destičky. Výsledkem je něco, co připomíná les po kůrovcové kalamitě - řady vertikálně trčících pahýlů. Jen s tím rozdílem, že jsou vysoké okolo šedesáti a tlusté okolo dvou mikrometrů a že svou zúženou část mají u základny -  špičkami trčí dolů a jsou jimi spojeny s tím, co původně bylo základní destičkou.

Polyvinylalkohol je syntetický polymer. Finálnímu produktu propůjčuje formu poddajné náplasti. Vytváří vrstvu, která drží jednotlivé jehličky v žádoucím směru. Díky pružnosti tohoto filmu se hroty jehel dají vtlačit do tkáně i v místech, kde netvoří rovnou plochu.

A teď přichází ten fígl. Horní část volných „kmenů“ která je ve stejné výšce, se propojí (slepí) vrstvou polyvinylalkoholu. Ten vytvoří na vrcholech našeho „jehlového lesa“ pružný film a vznikne tím to, čemu se říká náplast. Bylo by to celé ohebné, ale není. Hroty jehliček jsou totiž stále srostlé s tuhou základnou původní křemíkové desky. Protože výzkumníci přišli na způsob leptání, kterým docilují, že jehly jsou spojeny se základnou svou nejtenčí částí (stopka má průměr okolo jednoho mikrometru), stačí vhodné trhnutí správným směrem (a správnou rychlostí), jehličky se od základny oddělí a náplast s křemíkovými mikrojehlami je hotová.

Rozdíl od PVP jehel

U klasických mikrojehel účinná látka byla jejich součástí a přimíchávala se, takříkajíc do  těsta. U křemíkových jehel to je jinak. Leptáním se v nich vytváří celá řada komůrek a povrch se tím o několik řádů zvětší. Do vzniklých nanopórů lze kovalentními vazbami „přilepit“ relativně objemné množství účinných látek.

Chi Hwan Lee, vedoucí výzkumného kolektivu, Purdue University, stát Indiana, USA.

Mnohé možná překvapí, že jehly z křemíku se v tkáni poměrně dobře rozpouští. Záleží jen na tom, jak moc se udělají porézní. Vrstva s vysokou porozitou se rozpustí během jednoho dne. V případě potřeby dlouhodobé léčby, lze je vyrobit nízko porézní. Takové se rozpouští a uvolňují drogu, zhruba měsíc. Neméně důležité pro praxi je, že degradací nevzniká nic jedovatého. Křemík se v těle rozpouští na monomer kyseliny křemičité (Si(OH)₄). Ta je považována za nejpřirozenější formu prvku v životním prostředí. Lidská krevní plazma kyselinu křemičitou  běžně obsahuje v hladinách nižších než 1 mg Si / l, což odpovídá průměrnému příjmu v potravě 20–50 mg / den. S nepatrným množstvím z rozpuštěných mikrojehel navíc, si ledviny snadno poradí a vyloučí kyselinu křemičitou v moči. 

Melanom. Jeho zhoubné buňky se množí ve stratum corneum epidermis (15-25 µm pod povrchem kůže). Přesně do této hloubky nové jehličky svůj náklad jedu předávají. (Kredit: NCI, volné dílo).

Těžko říci, co je u nového typu jehel jejich největším přínosem. Rozhodně k tomu ale patří, že náplast s jehličkami, jak by řekly švadlenky, se chová „jako streč“. Tak říkají něčemu, co se dobře nosí, je přizpůsobivé a „nikde to netáhne“. V případě naší náplasti, jejíž základem je polyvinylalkohol, je to podobné. Díky jeho vlastnostem je výsledek ohebný a dovoluje aplikovat potřebné množství cytostatika do i na nerovnostech a do všech záhybů. A to je asi to nejdůležitější. Jen to totiž zvrhlým buňkám nedovolí se v nějakém zákoutí  „zašít“, uniknout účinné látce a později zlobit tvorbou metastáz. Pokud poddajnou náplast po vtlačení jehliček do kůže ponecháme na místě, splní funkci ochranného fáče, který se dobře nosí.

O melanomových rakovinových buňkách je známo, že patří k těm nejagresivnějším a že si z chemoterapie zrovna moc nedělají. Proto jsou nové náplasti s mikrojehlami, schopnými dodávat „chemo“ do konkrétních míst (na rozdíl od chemoterapie podávané infuzí), ve vysoké dávce, dlouhodobě a i na zakřivené ploše, přesně tím, čeho je pro léčbu tohoto prevíta třeba. Vědci své jehly už odzkoušeli na myších dobrovolnících. Jak na kožní formě melanomu, tak i na podkožních novotvarech a výsledky musejí nadchnout každého onkologa.

Hyungjun Kim, první autor publikace. Purdue University.

Ať už objevitelům budeme říkat Američané, nebo Korejci, jejich jehly jsou velkou nadějí hlavně pro nás, kteří máme „mateřská znaménka“. Jak totiž z nedávné australské, poctivě rozsáhlé studie provedené na mnoha tisících pacientech vyplynulo, tak přítomnost znamének svým nositelům indikuje přibližně 4,6 krát vyšší výskyt melanomu. I když jde o poznatek od protinožců, byl získán na různorodé populaci, takže podobně bychom s tím několikanásobně zvýšeným rizikem měli být i u nás.

Náplast o rozměrech 3 x 3 centimetry s křemíkovými porézními vstřebatelnými jehličkami. Svůj výtvor autoři nazvali p-Si jehlami. Pružnost náplasti dovoluje aplikovat cytostatikum i do rohovky a umožňuje léčbu oční formy melanomu. Kredit: Purdue University / Chi Hwan Lee.

Nynější mikrojehly z dílny Purdue University, mají ještě jednu přednost, o níž jme se zatím nezmínili. Je dána vlastností  polyvinylalkoholu. Již jsme zmínili, že propůjčuje náplasti s jehličkami ohebnost a poddajnost, což vyhovuje, protože lze náplast po aplikaci nechat na místě jako kryt i v místech, která se neustále ohýbají a pacientovi to nijak nebrání v pohybu. Stejně tak ale lze zbytek náplasti (klidně i bezprostředně po zatlačení jehel do tkáně), odstranit. Polyvinylakohol je totiž rozpustný ve vodě.  Místo, kde jsme vpich provedli, proto stačí jen omýt. Příkladem, kde je taková vlastnost k nezaplacení, je třeba u oční formy melanomu. Ta se vyskytuje u osob s častým pobytem na sluníčku relativně často. Léčba oka je vždy oříšek. Vědci proto napadlo nové nanojehly vyzkoušet i na tento typ onemocnění. Zatím jen na myších. V testu myškám náplastí pokryly celou plochu rohovky (výše popsaná poddajnost to dovoluje). Přitlačením aplikovali jehličky a ošetřené oko bezprostředně omyli nedráždivým fyziologickým roztokem. „Náplast“ se  během minuty rozpustila a zmizela. To znamená, že novými jehličkami lze oko léčit třeba i měsíc a po celou dobu léčby (vyjma oné minuty aplikace) zůstává plně funkční.

Závěr

Agresivní povaha buněk melanomu vyžaduje agresivní a opakovanou chemoterapii. Spolu s tím roste i toxicita podávaných chemoterapeutik a jejich nežádoucí vedlejší účinky. Lokální podávání chemoterapeutik formou náplasti s mikrojehličkami se jeví jako to nejlepší, co kdo zatím na léčbu melanomu vymyslel. Bezbolestnost procedury, kvůli čemu mikrojehly vlastně kdysi vznikly, je už jen takovou třešničkou na dortu. To hlavní rovnoměrná a dlouhodobá aplikace léčiva zvládající i nerovnosti (kůže v místech kloubů, zakulacenost rohovky,…). K povinnému klinickému odzkoušení na lidech, má dojít co nejdříve. Vzhledem k inertnosti použitých materiálů a výsledkům testů na myškách, se problémy se schvalováním neočekávají.  O „p-Si“ jehlách, jak vědátoři svůj výtvor nazvali („p“ je podle PURDUE), budeme brzo slyšet znovu. Doufejme, že nejen slyšet, ale vidět i v našich klinikách.  Než se ale p-Si jehly k nám dostanou, nebude na škodu si svá riziková místa pravidelně kontrolovat. Zvláště tam, kde si znaménka vybrala nevhodné místo a dráždí je límeček, řemen od kalhot nebo ramínko podprsenky. Je dobré si při pohledu do zrcadla připomínat, že mít mateřská znaménka znamená čtyřikrát větší pravděpodobnost umřít na melanom. Propást dobu, kdy se znaménko začne rozrůstat, mít jinou barvu a okraje začnou být nepravidelné, není radno. Těm v bílém plášti často už nezbude, než nám šetrně naznačit, že je čas začít uvažovat o testamentu. 

Fotodokumentace výroby a aplikace p-Si jehel
Ukázka jak snadno lze mikrojehlu (náplast z polyvinylalkoholu) po vmáčknutí hrotů do tkáně, během minuty odstranit opláchnutím fyziologickým roztokem (ev. vodou). Aby byl proces rozpouštění patrný, byla do náplasti přidána žlutá barvička. Spustit video (MP4) zde.

Demonstrace zautomatizovaného odtržení hrotů jehel od základní destičky. Spustit video (MP4) zde.

Ukázka aplikace chemoterapeutika doxorubicin (známějšího pod obchodní Adriamycin) a účinnosti léčby na myšce, které byly předem inokulovány pod kůži vysoce agresivní melanomové buňky. Spustit video (MP4) zde.

Lokální „DOX“ léčbu s použitím p-Si jehel berou myšky s humorem. Spustit MP4 video zde.

Mikrofotografie z přípravy p-Si jehel, grafy a tabulky z léčby ve formátu PDF jsou ke stažení zde.

Literatura

Hyungjun Kim, et al.: Bioresorbable, Miniaturized Porous Silicon Needles on a Flexible Water-Soluble Backing for Unobtrusive, Sustained Delivery of Chemotherapy, ACS Nano (2020). DOI: 10,1021 / acsnano.0c02343 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02343