Zespół
Roman Szafran

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania urządzenia mikrofluidalnego (bioczipu) do badań i symulacji zjawisk transportu: przepływu krwi oraz transportu substancji bioaktywnych, w szczególności leków, zachodzących w strukturze guza, w jego sieci mikronaczyń krwionośnych, w szczególności naczyniach włosowatych, arteriolach i drobnych żyłkach, o zdegenerowanej strukturze. W efekcie możliwe jest otrzymanie biologicznego modelu złożonej struktury wysokiego poziomu guza nowotworowego dowolnego organu, w tym z wykorzystaniem komórek pobranych bezpośrednio od pacjenta. W ten sposób możliwe jest wytworzenie spersonalizowanego modelu zmiany nowotworowej w kontrolowanych warunkach in vitro/in silico i wykorzystanie go przy doborze optymalnej terapii.

Nowy sposób wytwarzania bioczipów nie wymaga stosowania złożonych i czasochłonnych procedur, sprzętu i pomieszczeń czystych (ang. clean room) stosowanych w metodach wytwarzania układów mikro-elektro-mechanicznych – dotychczas wykorzystywanych do wytwarzania czipów biologicznych. Umożliwia przygotowanie funkcjonalnego urządzenia mikronaczyniowego składającego się z pojedynczej lub wielu cienkich warstw biokompatybilnego elastomeru stanowiącego rusztowanie dla komórek. Warstwy elastomeru są grawerowane laserowo na podstawie map kanałów przeniesionych ze zdjęć mikroskopowych struktur wysokiego poziomu guza (arterioli, żyłek i naczyń włosowatych), tak by w sposób możliwie dokładny naśladować ich fizyczną budowę. W ten sposób powstaje unikatowa komora do hodowli komórkowych, stanowiąca serce mikrourzadzenia. Struktura naczyń bioczipu uzupełniona o elementy pomocnicze – kanały oraz zbiorniki i komory doprowadzające i odprowadzające płyny, elementy detekcji, bioreaktory i porty przyłączeniowe, modyfikowana jest białkami i zasiedlana sekwencyjnie komórkami zdrowymi oraz nowotworowymi, co umożliw formowanie złożonych modeli guzów nowotworowych.

Podstawowym wyzwaniem w walce z chorobami nowotworowymi jest budowa dokładniejszych, bardziej przydatnych – dostarczających większej liczby danych, naśladujących w sposób doskonały żywą materię, modeli biologicznych zmian nowotworowych człowieka. Tradycyjne modele guzów człowieka in vitro na poziomie komórkowym czy sferoid komórkowych, jak też modele zwierzęce in vivo, choć przyczyniły się w ogromnym stopniu do rozwoju współczesnych terapii onkologicznych, często dają fałszywy obraz badań skryningowych nowych cytostatyków i strategii leczenia, prowadząc do opóźnień i podnosząc koszty badań. Nowa metoda daje możliwość budowy bioczipów - żywych modeli wysokiego poziomu guzów nowotworowych, eliminując wady zwierzęcych modeli in vivo – braku specyfiki genotypu człowieka.

Korzyści z zastosowania wynalazku

Dotychczas znane metody wytwarzania bioczipów nie pozwalają na oddanie rzeczywistej zdegenerowanej struktury sieci naczyń krwionośnych guzów nowotworowych. Wyidealizowane kanały mikroukładów o przekroju prostokątnym lub kołowym nie są w stanie oddać zniekształceń (zwyrodnień) naczyń krwionośnych jakie występują w guzach nowotworowych, arteriosklerozie, cukrzycy, nadciśnieniu tętniczym.

Nowy sposób wytwarzania biologicznych systemów mikrofluidalnych jest tani, szybki i bezpośredni. Nie wymaga tworzenia matryc replikacji oraz przygotowania fotomasek. Nie wykorzystuje pomieszczeń czystych (ang. clean room) oraz drogich urządzeń i odczynników chemicznych stosowanych w metodach wytwarzania układów MEMS (systemów mikro-elektro-mechanicznych). Umożliwia wytworzenie mikrourządzenia w zautomatyzowany sposób dzięki prostej sekwencji powtarzalnych czynności, przez co znajduje zastosowanie do szybkiego wytwarzania urządzeń prototypowych do badań naukowych oraz wielkoskalowej produkcji seryjnej.

Potencjał komercjalizacji

Nowy sposób wytwarzania mikrofluidalnych systemów biologicznych znajduje zastosowane przy wytwarzaniu bioczipów stosowanych do prowadzenia badań podstawowych in vitro/in silico z zakresu biologii i biochemii w medycynie, farmakologii i biotechnologii, umożliwiając obserwację reakcji fizjologicznych organów, tkanek i pojedynczych komórek na czynniki biofizyczne i biochemiczne. Umożliwia wytwarzanie mikrourządzeń do badań podstawowych zjawisk zachodzących w mikrośrodowisku guzów nowotworowych – proliferacji komórek nowotworowych, metastazy i angiogenezy, jak również badań zależności wysokiego poziomu w złożonej strukturze nowotworu.

Może być wykorzystany do fabrykacji mikrourządzeń do szybkiego skryningu cytostatyków oraz badań zjawisk transportu leków, tlenu i metabolitów w guzach nowotworowych.

Potencjalni odbiorcy technologii: firmy oraz ośrodki naukowo-badawcze z obszaru wysokich technologii medycznych, biotechnologicznych i farmaceutycznych. Kliniki onkologiczne.