Kaulu implanti no koksnes – zinātniskā fantastika vai nākotnes realitāte? 6
Sigita Alksne, žurnāls “Baltijas Koks”
Par šo un citiem zinātnes atklājumiem koksnes izmantošanas jomā runājam ar Latvijas Valsts Koksnes ķīmijas institūta (LVKĶI) Celulozes laboratorijas vadošo pētnieci Dr. chem. Lauru Andži.
Laura ir jaunā zinātniece, kas savu doktora grādu ieguva pirms septiņiem gadiem, izstrādājot mitrumizturīgus papīra iepakojamos materiālus pārtikas produktiem, kā piedevas izmantojot dabas polimērus. No pašreizējā skatpunkta raugoties, ļoti aktuāla un praktiska tēma, ņemot vērā pasaules un Eiropas tendences atteikties no fosilajiem materiāliem, īpaši pārtikas iepakojumos. Trīs gadus nostrādājusi zinātnes administrācijā, vadot struktūrfondu pēcdoktorantūras programmu, un pēc diviem bērna kopšanas atvaļinājumiem nu jau divus gadus viņa ir atgriezusies zinātnē ar jaunu jaudu.
Kāds ir pētījuma virziens, kurā Tu pašlaik darbojies?
Vēl joprojām laboratorijā turpinām papīra iepakojuma tēmu, kas, pateicoties ERAF finansējumam, sadarbībā ar SIA V.L.T., olu kastīšu ražošanas uzņēmumu, ir attīstījusies līdz pirmsražošanas stadijai jeb piloteksperimentiem. Paralēli darbojos divos starptautiskos pieredzes apmaiņas un sadarbības projektos par šķiedru iepakojumu un izolācijas materiāliem. Sadarbojamies ar uzņēmumiem, veicot pasūtījuma pētījumus. Piekritu izaicinājumam darboties arī dabas kosmētikas jomā. ZS Doktus sadarbībā ar Koksnes ķīmijas institūtu izstrādājam dabiskos krēmus ar aktīvo vielu betulīnu, kas izdalīts no bērza tāss. Pats jaunākais, izaicinošākais un aizraujošākais pētniecības virziens, ar kuru pašlaik strādāju, ir osteosintēzes kaulu implantu izstrāde no blīvinātas koksnes.
Vai ir viegli strādāt tik plašā un daudzveidīgā pētījumu laukā?
Pirms astoņiem deviņiem gadiem, kad vēl studēju doktorantūras zinātnē, bija ierasts darboties tikai vienā specifiskā pētniecības virzienā. Ja mēs pētījām celulozi, tad daudz tālāk par papīru, celulozes atvasinājumiem un nanocelulozi neaizgājām. Pagājušajā gadā, kad devos uz savu pirmo konferenci pēc atgriešanās zinātnē, ievēroju, cik viss ir mainījies – ļoti svarīga ir kļuvusi multidisciplinaritāte, nozaru sadarbība. Man patīk darboties vairākos virzienos, tas ļoti palīdz paskatīties uz lietām ārpus kastes. Nereti, meklējot informāciju, kas būtu noderīga vienam pētījumam, es atrodu atbildi citam. Dažādi pētījuma virzieni palīdz ieraudzīt kopainu. Tas ir noderīgi arī sadarbībā ar uzņēmējiem, risinot viņiem aktuālas problēmas. Īstenojam sadarbības projektus kopā ar uzņēmējiem gan Latvijā, gan ārvalstīs, sniedzam pakalpojumus, kā arī piedāvājam licences līgumus pētījumu komercializācijai. Uzņēmumi, ar kuriem sadarbojamies, ir apmierināti un ieinteresēti kopīgā pētniecībā arī nākotnē. Būtiskākais izaicinājums ir sadarbības izveide, jo mūsu valstī nevis uzņēmējs meklē zinātnieku, bet zinātnieks meklē uzņēmēju un mēģina pārliecināt, kāpēc mūsu inovācija ir nepieciešama viņu uzņēmumā. Svarīgs uzdevums mums turpmāk ir aktīvāka un mērķētāka informācijas izplatīšana tieši uzņēmumiem, personīga viņu uzrunāšana.
Pastāsti vairāk par kaulu implantu pētījumu! Kā Tu nokļuvi līdz šādai idejai?
Kad tikko biju atgriezusies institūtā, manu vīru Mārtiņu, kurš arī ir pētnieks LVKĶI, uzrunāja Mikroķirurģijas centra mikroķirurgi Dr. Mārtiņš Kapickis un nu jau mans doktorantūras students Vadims Ņefjodovs. Vadims bija izlēmis savas akadēmiskās zināšanas pilnveidot doktorantūras studijās un meklēja avantūriskus koksnes speciālistus, kas būtu ieinteresēti kopīgiem spēkiem izstrādāt koka kaulu implantus. Vīrs, zinot manu atsaucību trakām idejām, pieaicināja mani sarunā, un tā nu esmu uzņēmusies š ilgā, bet aizraujošā ceļojuma vadīšanu. Stāstot sabiedrībai, arī ģimenei, draugiem, paziņām par koka kaulu implantu pētījumu, nereti daudzi uz šo tēmu skatās ar neticību, bet ir cilvēki, kuriem šāda ideja liekas unikāla un daudzsološa. Mūsu pētījuma mērķis ir izstrādāt metodi koksnes blīvināšanai, lai iegūtu koksnes materiālus ar kaulam līdzīgām mehāniskajām īpašībām un labu biosaderību. Materiāli ir plānoti kā alternatīva osteosintēzes kaulu implantiem. Osteosintēzes implanti ir materiāli, ar kuru palīdzību tiek savienoti un stabilizēti kaulu lūzumi. Mūsdienās osteosintēzes implanti klasiski tiek izgatavoti no tādiem metāliem kā nerūsošais tērauds un titāns. Lai gan šie metāli tiek uzskatīti par bioloģiski inertiem, pēdējos gados ir gūti pierādījumi par šo metālu biokoroziju ilgtermiņā. Metālu blīvums un cietība vairākkārt pārsniedz cilvēka kaulu mehāniskos rādītājus. Šī mehāniskā nesaderība kombinācijā ar biokoroziju citiem faktoriem var radīt tādas komplikācijas kā aseptiska izkustēšanās. Komplikāciju dēļ var būt nepieciešamas papildu operācijas, kā arī ir risks atkārtotiem lūzumiem. Metāla implanti arī rada mākslīgus artefaktus attēldiagnostikas izmeklējumos, īpaši datortomogrāfijā un magnētiskajā rezonansē, kas apgrūtina izmeklējumu izvērtēšanu. Lidostās pacienti ar metāla kaulu implantiem izjūt zināmas neērtības. Šos visus izaicinājumus mēs vēlamies atrisināt ar koksnes kaulu implantiem. Pētījuma ideja balstās uz profesora un medicīnas doktora Ēvalda Ezerieša un viņa kolēģu 1997. gadā izstrādātu patentu par kadiķa koksnes gūžas implantu. Šī ideja bija daudzsološa, taču arī ar vairākiem trūkumiem, galvenokārt koksnes blīvuma un mehānisko īpašību dēļ, kas ir daudz zemāki nekā kaulam. Tika novērota arī traucēta biosaderība. Ķīniešu kolēģu publikācija prestižākajā zinātnes žurnālā Nature, lai arī nesaistīta ar kaulu implantiem, iedeva jaunu pavērsienu šim pētījumam. Apvienojot abus pētījumus, mēs izstrādājām kadiķa koksnes materiālus ar hidrotermisku blīvināšanas metodi, pirms tam tos daļēji delignificējot jeb vārot. Vārīšanas procesā koksne kļūs mīksta un plastiska, kā arī daļēji delignificētais un modificētais lignīns darbojas kā līmviela termomehāniskajā blīvināšanas procesā. Lai samazinātu dažādu ūdenī šķīstošu vielu izdalīšanos organismā, pirms blīvināšanas veicam ekstrakciju spirtā, spirta un ūdens maisījumā un ūdenī. Sadarbībā ar Rīgas Tehniskās universitātes Rūdolfa Cimdiņa Rīgas Biomateriālu inovāciju un attīstības centru veiktajos kaulu šūnu testos netika novērota toksicitāte, kas mums sniedza iedvesmu turpināt pētniecību.
Kādas ir pasaules tendences kaulu implantu jomā?
Kaulu implantu nozare ir diezgan konservatīva un inerta zinātnes vide. Ir sarežģīti ieinteresēt pārliecinātus metāla implantu piekritējus, ka mūsu ideja ir perspektīva. Arī ielauzties jaunā nozarē, kurā valda savi noteikumi un hierarhija, nav viegli. Bet mēs neplānojam padoties. Viens no pirmajiem datoru izgudrotājiem Hovards Aikens reiz teicis: «Neuztraucieties par to, ka cilvēki nozags jūsu idejas. Ja jūsu idejas ir labas, jums tās būs jāgrūž cilvēkiem rīklē.» Pasaulē ir tūkstošiem pētījumu par kaulu implantu materiāliem, gan meklējot jaunus, alternatīvus materiālus, gan uzlabojot jau esošos. Ņemot vērā pasaules tendences vides aizsardzības un piesārņojuma samazināšanas jautājumā, strauji attīstās dabas materiālu izmantošana kaulu implantos, piemēram, hidroksilapatīta sintēze no dabas resursiem, dabas polimēru izmantošana, tai skaitā celulozes materiāli. Tiek izmantota 3D printēšana kaulu implantu materiālu izstrādē. Tomēr visi šie materiāli ir veiksmīgi lietojami tikai slodzes nenesošu implantu materiālos, piemēram, zobu protezēšanā. Ostiosintēzes implantu gadījumā pagaidām nekas labāks par metāla, īpaši titāna, implantiem nav radīts. Mūsu pētījums spēj piedāvāt metālu implantu alternatīvu. Pašlaik pasaulē ir uz roku pirkstiem skaitāms publikāciju apjoms par masīvkoksnes izmantošanu kaulu implantos. Ir bijuša trīs zinātniskās grupas pasaulē, kas ir mēģinājušas koksni izmantot kā kaulu implantu materiālu. Kā saprotams, tā ir vēl neatklāta, interesanta pasaule ar daudz iespējām un izaicinājumiem. Interesants ir fakts, ka koksnes un kaula uzbūves makro un mikro struktūra ir ļoti līdzīga. Francijā ir zinātniskais institūts, kas koku izmanto kā modeļmateriālu, lai modelētu zāļu un bioaktīvo savienojumu plūsmu kaulos.
Kādi ir nākamie izaicinājumi jūsu pētījumam?
Blīvinātas koksnes galvenā problēma ir tās uzbriešana ūdens vidē. Iepriekš neapstrādāta, termomehāniski blīvināta koksne uzbriestot atgriežas savā sākotnējā formā, izmērā un blīvumā. Lai arī mūsu pētījumā iegūtajiem materiāliem uzbriešana ir samazināta vairāk nekā uz pusi, tā vēl joprojām ir samērā liela. Lai to novērstu, nākamais solis ir koksnes impregnēšana pirms termomehāniskās blīvināšanas. Impregnēšana tiks veikta ar dabas polimēru – hitozānu, kas spēj veidot ūdenī nešķīstošus kompleksus ar celulozi saturošiem materiāliem. Hitozānam ir arī antimikrobiālas īpašības. Impregnēšanas solis sniedz iespēju kaulu implanta izstrādes laikā kopā ar impregnējamo šķīdumu ievadīt dažādas bioaktīvās vielas vai zāles, kas var būt svarīgas kaulu slimību gadījumā. Pašlaik pētījumus veicam ar kadiķa koksni. Turpinājumā ir plānots izmantot bērzu un citus lapu kokus ar mazāk ekstraktvielu, kas var ietekmēt biosaderību un radīt toksisku reakciju. Protams, nākamie lielie soļi ir biosaderības pētījumi uz dažādām kaulu šūnām. Kā arī Vadims sava promocijas darba ietvaros pētīs šo materiālu biomehāniskās īpašības jeb implanta noturību kaulā daudzkārtējas slodzes apstākļos. Ja runājam par cita veida izaicinājumiem, vēl viens svarīgs aspekts ir pētniecības finansējums. Latvijā zinātnes finansējums ir stipri ierobežots un balstīts uz projektu konkursiem. Ja paveicas, varam iegūt finansējumu trim gadiem, bet nav pēctecības. Nav garantijas, ka varēsim pētniecību turpināt nākamos trīs gadus citā projektā. Pašlaik mūsu pētījums balstās uz lielu entuziasmu, aizrautību un ieinteresētību. Ambicioziem, jauniem pētījumiem ar lielu riska faktoru ir ļoti grūti iegūt finansējumu klasiskajos projektu konkursos, tāpēc lūkojos uz starptautiskajiem konkursiem, kur liels uzsvars ir tieši uz novitāti.
Cik ilgs laiks ir nepieciešams, līdz pētījuma rezultāti varētu nokļūt līdz gala patērētājam – pacientiem?
Mēs esam pētījumu pašā sākuma posmā, un primāri ir svarīgi iegūt pozitīvus šūnu analīžu rezultātus. Tikai tajā gadījumā, ja ir pozitīvi šūnu rezultāti, kā arī mēs spējam pamatot, kāpēc šie materiāli varētu būt labāki par tirgū jau esošajiem analogiem, mēs varam saņemt Pārtikas un veterinārā dienesta Ētikas komisijas atļauju dzīvnieku izmantošanai tālākajiem pētījumiem. Tam seko pētījumi uz cilvēku testa grupām, kam seko ilgs un sarežģīts birokrātiskais process, lai implanta materiāls tiktu atzīts par izmantojamu medicīnā. Atkarībā no tā, cik veiksmīgi mums izdosies piesaistīt finansējumu saviem pētījumiem, tas varētu būt ne ātrāk kā pēc 15–20 gadiem. Tas būs ilgs ceļš, bet es ticu, ka ceļā mēs atklāsim daudz jaunu lietu, ko varēsim izmantot jau daudz tuvākā nākotnē.
