Běžně dostupné hydrogelové kuličky, které známe například z osvěžovačů vzduchu. Mají obdivuhodnou absorpční schopnost, po nasáknutí vodou mnohonásobně zvětší svůj objem a získají velkou pružnost. Ty čiré mají optické vlastnosti blízké vodě, v níž se stávají téměř neviditelné. Kredit: Osel, vlastní dílo

Když se na obrazovce počítače zobrazí odkaz na popularizační článek s názvem: „Léčení mozku: hydrogely umožňují růst nervové tkáně“, nejde ho nerozkliknout. A když v textu zprávy na stránkách japonské Hokkaidské univerzity v Sapporu pak narazíte na zmínku o „kolegovi Tomášovi“, nelze o tom neinformovat i čtenáře Osla. Mezi sedmnácti jmény autorského kolektivu je jen jedno nejaponské – Tomáš Sedlačík. Vševěd Google o něm prozrazuje, že jde o českého vědce, který v roce 2015 obhájil na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze doktorát prací zabývající se kryogelací poly(alfa-aminokyselin) se zaměřením na technické aplikace. Část svého postdoktorandského studia absolvoval právě na zmíněné japonské univerzitě a nyní (pravděpodobně) bádá na Gentské univerzitě v Belgii.

Hydrogel použitý ve zmiňované studii. Kredit: Satoshi Tanikawa, et al. Scientific Reports. 14. února 2023)

K jakému výzkumu přispěl mladý postdoktorand Tomáš při svém pobytu na ostrově Hokkaidó? Podle slov vedoucí studie, Satoshi Tanikawy, právě on ji vnukl inspirativní myšlenku: "Když jsem viděla 3D strukturu porézních hydrogelů, kterou na jednom setkání ukázal kolega Tomáš, napadlo mě, že by se daly využít v regenerativní léčbě jako lešení pro pěstování nervových buněk".

Imunofluorescenční obraz neuronů a astrocytů v transplantovaném hydrogelu Kredit: Satoshi Tanikawa, et al. 14. února 2023)

Vyjádření Tanikawy vlastně odhaluje nejen primární podnět, ale i cíl zajímavého výzkumu – využít hydogely jako vysoce účinné lešení pro růst nové tkáně v místech těžkého poškození mozku. Zatím taková rekonstrukce připomíná spíše vědeckofantastický film, tým japonských vědců z různých oborů však udělal první krok k její realizaci. K vypěstování nové mozkové tkáně použili hydrogelové polymerní sloučeniny v kombinaci s nervovými kmenovými buňkami, které jsou nezbytné, protože na rozdíl od jater nebo kůže vládne mozek mnohem menší regenerační schopností.

Neurální kmenové buňky 64. den po umístění do hydrogelu transplantovaného v mozku pokusné myši. Červené rámečky označují krevní cévy. Kredit: Satoshi Tanikawa, et al. Scientific Reports. 14. února 2023)

Pokusy byly provedeny na „myších modelech“, což v tomto případě byly laboratorní myšky, jimž biologové chirurgicky odstranili milimetrový kousek mozkové kůry. Tedy i veškerý ve výzkumu použitý biologický materiál, včetně buněčných kultur, byl samozřejmě myší.

Nejdřív však bylo nevyhnutné vyvinout hydrogel, ve kterém by nervové kmenové buňky mohly přežít a vyvíjet se ve specializované buňky mozku. Vědci zjistili, že v celkově neutrální struktuře tvořené polymery z kladně a záporně nabitých, tedy aniontových a kationtových monomerů zastoupených ve stejném poměru, se buňky díky adhezi nejlépe zachycují i přežívají. Aby však mohly hustou 3D hydrogelovou síť úspěšně osídlit, potřebují v její struktuře vhodné póry. Ty vznikly při samotné polymerizaci probíhající kolem drobných ledových krystalků za kryogenních podmínek při teplotě -16 °C. Po roztání ledových částeček zůstaly v materiálu miniaturní komůrky.

Výsledný hydrogel musel splňovat i další podmínku: jeho tuhost musela být stejná, jakou má mozková tkáň. Vědci ho pak napustili sérem obsahujícím růstový faktor, který podporuje tvorbu nových cév a implantovali ho do poškozených oblastí mozků myších modelů. Kontrola o tři týdny poté prokázala, že z okolní živé mozkové tkáně do hydrogelu pronikly jak neurální, tak i imunitní buňky (astrocyty a mikroglie) a objevily se v něm první cévy.

V této fázi vědci do částečně integrovaného hydrogelu vpašovali nervové kmenové buňky. Po 40 dnech zjistili, že díky rozrůstajícímu se krevnímu řečišti mnohé nejen přežily, ale také diferencovaly v astrocyty, nebo neurony. A ty časem začaly prorůstat i do okolní mozkové tkáně a zvyšovat tak míru jejího propojení s implantovaným hydrogelem.

První autorka studie Satoshi Tanikawa (vlevo) a korespondující autor, profesor Shinya Tanaka (uprostřed). Kredit: Hokkaido University, Institute for Chemical Reaction Design and Discovery.

Tomáš Sedlačík (vpravo) je od roku 2020 postdoktorandem ve výzkumné skupině Supramolekulární chemie na Katedře organické a makromolekulární chemie Gentské univerzity.  Kredit: WPI-ICReDD a Ghent University

Jde o pionýrský výzkum, který jen naznačuje nadějný směr k terapeutické regeneraci poškozené mozkové tkáně. Zatím chybí vhodné biologicky rozložitelné materiály. Použité hydrogely vzniklé polymerizací monomerů 3-(akryloylaminopropyl)-trimethylamoniumchloridu a sodné soli 2-akrylamido-2-methylpropansulfonové kyseliny jsou poněkud kontroverzní. Nejsou pro humánní medicínu vhodné přesto, že v čase dokončení článku popisujícího výsledky studie vědci nezaznamenali úmrtí žádné z pokusných myšek, ani abnormality v jejich chování. Satoshi Tanikawa je však přesvědčena, že překážky se podaří zdolat a práce jejího týmu se stane základem léčby, jež jednou bude pacientům pomáhat vypořádat se s následky poškození mozku způsobeného úrazem nebo cévní mozkovou příhodou.

Poznámka pro osvěžení školních vědomostí a připomenutí souvislostí:  První hydrogel syntetizoval v roce 1953 metodou kopolymerizace 2-hydroxyethyl-methakrylátu s ethylendimetakrylátem český chemik Drahoslav Lím. Se svým profesorem Ottem Wichterlem pak na bázi této nové hmoty vytvořili i první gelové kontaktní čočky, které ve spolupráci s doktorem Maxmiliánem Dreifusem z II. oční kliniky FN i otestovali na dobrovolnících.

Literatura: Nature Scietific reports (volně dostupná studie), Hokkaido University Institute for Chemical Reaction Design and Discovery