Od praní prádla k léčbě rakoviny

Jak jste se dostal právě ke konceptu chemických robotů?

K výzkumu v této oblasti jsem se dostal až na post doktorském studiu. Během studia na vysoké škole jsem se zaměřoval spíše na katalýzu, absorpci a hlavně na matematické modelování těchto procesů. Až po absolvování postgraduálního studia, kdy jsem pracoval v aplikovaném výzkumu firmy Unilever, jsem se dostal k technologiím výroby částic, granulí, prášků a příbuzným problémům, jako je řízené vylučování. Z toho se vyvinul můj další výzkum.

Zastavme se ale u technologie částicových systémů, která projektu předcházela...

V této oblasti jsem pracoval posledních osm let. Podíváte-li se na produkty spotřební chemie, potravinářské i průmyslové výrobky typu agrochemických hnojiv, poměrně velká část z nich má formu tuhých částic - buď sypkých hmot v podobě různých prášků a granulí, nebo tuhých částic, suspendovaných v kapalném prostředí, například krém a zubní pasta. Poměrně zajímavou oblastí výzkumu je otázka, jak tyto částice syntetizovat, jak jim dát požadované vlastnosti. Případně pokud tyto částice samy nesou nějakou aktivní substanci, chemickou látku či molekulu, která působí fyziologicky, tak jakým způsobem tuto látku do částice uzavřít a jakým způsobem zajistit, aby se z ní poté vylučovala určitou ideální rychlostí.

Duté schránky z oxidu křemičitého, tvořící "těla" chemických robotů

Myšlenka robotiky tedy v prvních verzích nefigurovala?

Přesně tak, jednalo se o to, jak částice připravit, jak zajistit, aby byly kompatibilní - jak se bude materiál, ze kterého je částice vytvořena, snášet s chemickou látkou kterou nese. Dále jak do jednoho produktu uzavřít substance, které by spolu, pokud by se dostaly do přímého kontaktu, navzájem reagovaly. Až v této chvíli se objevila myšlenka na další generaci, inteligentnější verzi, která by zajistila, že by tyto částice disponovaly autonomním pohybem, nějakým způsobem by spolu komunikovaly pomocí chemických signálů. Až zde se zrodilo spojení s robotikou.

Myšlenka uzavřít látky do částic se tedy zrodila někde u zubní pasty a pracích prášků?

Ne snad přímo tam, setkal jsem se během své praxe i s mnoha jinými situacemi, kdy se aktivní látka, která se v laboratorních testech jevila jako velmi účinná - například detergent, který velice kvalitně odstraňoval skvrny z textilu nebo léčivo, které se na tkáňových kulturách jevilo jako vysoce úspěšné - nemohla být využita. Klasický způsob aplikace této molekuly - tím, že jí byla vystavena nejen cílová tkáň, kde měla působit, ale i ostatní prostředí, měl bohužel nežádoucí vedlejší účinky. Způsob, jak to vyřešit, je uzavřít aktivní látku do slupky izolující ji od okolního prostředí. Současně by tato mateřská částice měla mít povrch, který by se specificky navázal na cílovou oblast a poté aktivní složku vyloučil. Lokálně by tedy šlo pracovat s mnohem většími koncentracemi a použít širší spektrum aktivních látek. Jejich působení a vedlejším účinkům by totiž nebyl vystavován celý organismus.

Na co jste navazovali?

V současné době existuje oblast zvaná mikrokapsulace, to znamená vyvíjení metod, jak uzavírat látky do částic. Navazujeme na ni, a to co je v našem výzkumu nové, je myšlenka, že aktivní látka nemusí existovat jako entita už v okamžiku, kdy tuto částici připravujeme. Můžeme vyvinout systém inspirovaný strukturou živých buněk, kdy v rámci částice existují nějaká vnitřní oddělení - říkáme jim vakuoly - v nichž jsou uzavřeny molekuly, z nichž až chemickou reakcí na místě určení dojde k syntéze vlastní aktivní látky. To opět poměrně dramatickým způsobem rozšiřuje paletu účinných látek, které je možné použít, protože mnohé z látek jsou nestabilní molekuly, například peroxidy, které mají velmi dobré oxidační vlastnosti, ale jsou tepelně nestálé. To je tedy jeden z příkladů, kdy je žádoucí, aby v produktu látka existovala v pasivní formě a její aktivní forma s léčivým či jiným účinkem vznikla chemickou reakcí až na místě.

Detail slupky jednoho chemického robota z termoresponzivního polymeru, pokrytého ochrannými "šupinami" z nanočástic

Přemýšleli jste o jiném využití, kdy přišla myšlenka na použití v medicíně?

Nejsme lékaři, takže aplikace na léčbu rakoviny nebyla primárním motivem. Jak jsem už zmínil, pracoval jsem řadu let v oblasti detergentů a pracích prášků. Čištění, dezinfekce, odstraňování obtížněji odstranitelných skvrn nebo biofilmů byly první aplikace, o nichž jsem začal uvažovat. Nicméně spolupracoval jsem nějakou dobu s farmaceutickými firmami a z této spolupráce vím, že řada potenciálně velmi účinných látek se nakonec nedostane na trh jen proto, že neprojdou různými toxikologickými nebo klinickými testy, protože mají nežádoucí vedlejší účinky. Tomu by se dalo zabránit enkapsulací, uschováním v určité částici. Pracovali jsme na vývoji tzv. strukturovaných granulí, kdy šlo o to dát do granulky pracího prášku či granulí, z nichž se následně lisují tablety pro farmaceutický průmysl, několik aktivních složek takovým způsobem, aby se při rozpouštění granule dosáhlo určité rychlosti vylučování. Například u prášku na bolení hlavy chcete, aby se aktivní složka vyloučila co nejrychleji, aby zabral co nejdříve. Naopak léčiva pro chronické podávání mají udržovat konstantní hladinu po dobu čtyřiadvaceti hodin, to znamená, že léčivo je zabudováno v matici, která se rozpouští pomaleji a vylučuje se postupně. Čili jde o to navrhnout strukturu částice tak, aby se dosáhlo požadované kinetiky rozpouštění - to je problém, na kterém jsem pracoval už řadu let.

Na některé léky tedy čekáme proto, že není dostatečně dotažená myšlenka principu rozpouštění?

Je to skutečně tak, pokud se podíváme na celý vývojový cyklus, v okamžiku, kdy se objeví nová aktivní látka, prokáže se její biologický účinek, trvá nejméně tři až pět let než se dostane na trh. A jednou z časově náročných fází je právě vývoj výrobní technologie a tzv. lékové formy, to znamená kapsule, tablety nebo suspenze, v níž se léčivo bude podávat. Toto období stojí poměrně mnoho úsilí, jak z hlediska času, tak z hlediska financí, takže farmaceutické firmy se tuto etapu snaží minimalizovat. Vyvíjeli jsme různé softwarové nástroje, simulační programy, které umožní zredukovat množství experimentů - to byla hlavní náplň našeho předchozího výzkumu.

Projekt Chobotix byl připravován právě se zřetelem k medicínskému použití?

Zapadá to do celkového konceptu výzkumu, který jsem dělal doposud - tj. cílené vylučování, enkapsulace atd. - ale samozřejmě z hlediska aplikačních oblastí si medicína přímo říká o využití technologií tohoto typu. Může velice pomoci v situacích, kdy musíme pracovat s poměrně agresivní potentní látkou. Možná proto je tak často citována léčba rakoviny - chemoterapie je právě jedna z metod, kdy se do těla dostávají dosti drastické látky s nežádoucími vedlejšími účinky.

Jak by cílenou biologickou léčbu rakoviny váš projekt mohl dál posunout?

V současné době vyvíjené způsoby pro řízené vylučování jsou nosiče na bázi biologicky odbouratelných polymerů, polymerní matice, v níž je buď čistě fyzicky rozpuštěna aktivní látka, nebo která je kovalentně navázána na polymerní řetězce. Tato vazba se pak v těle odblokuje. To je v současné době reference k řízenému vylučování, syntéze částic, v nichž je rozptýlena aktivní látka. Velikostí částic, případně kinetikou odbourávání polymeru se pak řídí, jak rychle se látka vylučuje. Výzkumem takovýchto polymerních nosičů se na světě zabývá řada skupin a mnohé jsou již ve fázi klinických studií. Pak jsou tu implantované mikročipy, které mají rezervoáry s účinnou látkou a fungující na principu miniaturní pumpičky, která do krevního řečiště dávkuje látku. Také se používají tzv. patche, což jsou polymerní implantáty, které se operačně vpraví do lidského organismu přímo k nádoru. To jsou poměrně obecné technologie, které lze použít na většinu typů nádorů.

"Hejno" chemických robotů difundujících ke svému cíli

A váš výzkum?

Jde o několik oblastí, my si myslíme, že námi koncipované chemické roboty především umožní použít mnohem širší paletu účinných látek právě díky tomu, že se aktivní látka bude syntetizovat až na místě určení uvnitř těla. Bude uzavřena a i relativně agresivní substance, které by nebylo jinak možno aplikovat, protože by měly silné vedlejší účinky, bude možno použít. Minimální účinnou koncentraci totiž přesáhnou pouze lokálně v místě, na něž má látka působit. Zbytek těla jí nebude vystaven. Vše je založeno na principu velkého množství jednotlivých částic, na skupinovém chování. Samotná částice nese jen velmi malé množství účinné látky a jejích molekul, sama o sobě jako by nebyla. Až v okamžiku, kdy se jich na jednom místě sejde velké množství, jsou schopny vyloučit nadprahovou koncentraci se zásadním fyziologickým účinkem.

Jak poznají tyto částice, kam mají doputovat a že jsou na místě určení? Nebude vadit, když některá z nich "zabloudí" a skončí jinde?

Místo poznají díky selektivní modifikaci povrchu částic. Princip vazby ligant-receptor funguje například v imunním systému nebo jiných situacích rozpoznávání povrchů. V okamžiku, kdy je vnitřní struktura částice hotová, je posledním krokem přípravy částice její povrchová modifikace, tj. navázání látek které jsou specifické pro povrch buněk cílové tkáně. Jsou to různé biomarkery, receptory specifické pro daný typ buňky. Samozřejmě pro jiné oblasti, než je medicína, je to mnohem jednodušší, v tom případě jde o rozdíl mezi rozpoznáváním hydrofilních a hydrofobních povrchů, to znamená tuky versus čistý povrch a podobně. Představíme-li si, že hejno částic koluje v krevním řečišti, pak s určitou pravděpodobností tyto částice navštíví všechny části těla a tím pádem mají nenulovou pravděpodobnost, že navštíví tu část, kde mají přisednout. Počítá se i s tím, že jisté množství částic na své místo nikdy nedoputuje, proto se snažíme vyvinout takový způsob, aby se vlastní syntéza aktivní složky, která je potenciálně toxická, spustila až v situaci, kdy jsou částice navázány na místě svého určení. To se dá zajistit dvěma způsoby: první je lepší, ale komplikovanější - fakt, že se částice navázala na receptor, spustí vnitřní reakční kaskádu uvnitř těla chemického robota. Konečným produktem je pak aktivní látka. Druhý způsob, který je technicky snáze realizovatelný, ale ne tolik selektivní je, že se reakce spustí vnějším impulzem. Poskytnete částicím určitý čas, aby se stihly navázat na patřičné místo a pak otevřete jejich vnitřní rezervoáry na základě vnějšího podnětu - například pod působením elektromagnetického pole.

Snímek měkkých schránek chemických robotů vytvořených z alginátového hydrogelu

Jak se od sebe vývoj medicínských a nemedicínských aplikací liší a co očekáváte na konci projektu?

Rozdíl je spíše ve fázi testování v reálných podmínkách. Aplikace, které se netýkají medicíny, jsou do značné míry snazší - nemusíte si dávat pozor na etické aspekty, modelové povrchy je možno zrealizovat v laboratoři. Předpokládáme, že během pětiletého trvání projektu vybereme asi tři, čtyři aplikace z různých oblastí a ty, které jsou nemedicínské, bychom chtěli dotáhnout do fáze předvedení v reálných podmínkách. U aplikací medicínského charakteru je reálné ukázat funkčnost na tkáňové kultuře na Petriho misce. Pak může následovat spolupráce s mediky, kteří by se zaměřili na klinické studie.

Rozhovor vedl Robert Tamchyna v pořadu Vstupte!

Doc. Ing. František Štěpánek, PhD (1974) vystudoval chemické inženýrství na Vysoké škole chemickotechnologické v Praze. Po získání stipendia francouzské vlády absolvoval postgraduální studium společně na VŠCHT Praha a Université Pierre et Marie Curie v Paříži. Od roku 2002 přednášel na katedře chemického inženýrství na Imperial College v Londýně, kde založil a dosud vede výzkumnou skupinu v oblasti farmaceutického inženýrství a technologie částicových systémů. V roce 2008 se vrátil na VŠCHT, kde založil Laboratoř chemické robotiky. Je autorem více než šedesáti publikací v recenzovaných časopisech a nositelem řady profesních ocenění, mj. je historicky prvním dvojnásobným nositelem Moultonovy medaile, udělované od roku 1929 Institutem chemického inženýrství za nejlepší publikaci v oboru, Ceny Philipa Leverhulma za přínos k inženýrským vědám, Ceny Friedricha Wilhelma Bessela za mezioborový výzkum, a Medaile I. stupně Ministra školství ČR.

Logo|foto:Český rozhlas

ERC a CHOBOTIX

Prestižní grant Evropské výzkumné rady (ERC) na podporu nejtalentovanějších mladých evropských vědců je udělován v rámci programu IDEAS. Vloni bylo z 9167 podaných návrhů ve dvoukolové soutěži a prostřednictvím oborových panelů vybráno 300 nejlepších projektů. Jeden z grantů získal na projekt Chemical Processing by Swarm Robotics absolvent Fakulty chemicko-technologické VŠCHT Praha doc. František Štěpánek. Na pětiletý projekt s názvem CHOBOTIX získal 1,64 mil. eur. Hlavním cílem je vyvinout tzv. chemické roboty (uměle vyrobené částice velikosti desítek až stovek mikrometrů) se schopností autonomního pohybu v prostředí, selektivní látkové výměny s okolím, chemické přeměny absorbovaných molekul, jejich hromadění a řízeného vyloučení. Projekt řeší devítičlenný mezinárodní tým, příjemcem grantu je VŠCHT Praha.