Co roku ponad 20 milionów Amerykanów poddaje się badaniom przesiewowym w postaci kolonoskopii i w wielu z tych przypadków lekarze usuwają polipy o średnicy 2 cm lub większej i wymagające dodatkowej opieki. Procedura ta znacznie zmniejszyła ogólną częstość występowania raka jelita grubego, choć nie obyło się bez powikłań, ponieważ u pacjentów może wystąpić krwawienie z przewodu pokarmowego zarówno w trakcie, jak i po zabiegu.

W nadziei, że zapobiegną tym powikłaniom, naukowcy z MIT opracowali nowy żel o nazwie GastroShield, który można natryskiwać na miejsca operacji za pomocą endoskopu. Żel tworzy mocną, ale elastyczną warstwę ochronną, która służy jako tarcza dla uszkodzonego obszaru. Materiał zapobiega opóźnionemu krwawieniu i wzmacnia mechaniczną integralność tkanki.

„Nasza technologia klejenia reagującego na tkanki została zaprojektowana tak, aby wchodzić w interakcję z tkanką poprzez uzupełniające się interakcje kowalencyjne i jonowe, a także interakcje fizyczne, aby zapewnić długotrwałą ochronę zmian chorobowych przez kilka dni, aby zapobiec powikłaniom po usunięciu polipów i innych ran zagrożonych krwawieniem z przewodu pokarmowego ” – mówi Natalie Artzi, główna badaczka w Instytucie Inżynierii Medycznej i Nauki MIT, profesor nadzwyczajny medycyny w Harvard Medical School i główna autorka artykułu.

W badaniu na zwierzętach naukowcy wykazali, że aplikacja GastroShield bezproblemowo integruje się z obecnie stosowanymi procedurami endoskopowymi i zapewnia ochronę rany przez trzy do siedmiu dni, pomagając tkankom w gojeniu się po operacji. Artzi i inni członkowie zespołu badawczego założyli firmę o nazwie BioDevek, która obecnie planuje dalszy rozwój materiału do stosowania u ludzi.

Gonzalo Muñoz Taboada, dyrektor generalny BioDevek i Daniel Dahis, główny naukowiec w BioDevek, są głównymi autorami badania, które ukazuje się w czasopiśmie Zaawansowane materiały. Autorami artykułu są także Elazer Edelman, profesor inżynierii medycznej i nauk ścisłych na MIT Edward J. Poitras oraz dyrektor IMES, a także Pere Dosta, były postdoc w laboratorium Artziego.

Żele samoprzylepne

Rutynowe badania przesiewowe w kierunku raka okrężnicy często ujawniają małe polipy przedrakowe, które można usunąć, zanim staną się nowotworowe. Zwykle wykonuje się to za pomocą endoskopu. Jeśli podczas usuwania polipa wystąpi krwawienie, lekarze mogą wypalić ranę, aby ją uszczelnić, ale ta metoda powoduje powstanie blizny, która może opóźnić gojenie i spowodować dodatkowe komplikacje.

Dodatkowo u części pacjentów krwawienie pojawia się dopiero po kilku dniach od zabiegu. Może to być niebezpieczne i może wymagać od pacjentów powrotu do szpitala w celu dodatkowego leczenia. U innych pacjentów mogą pojawić się małe łzy, które powodują przedostanie się treści jelitowej do jamy brzusznej, co może prowadzić do ciężkiej infekcji wymagającej natychmiastowej opieki.

Kiedy wymagane jest wzmocnienie tkanki, lekarze często zakładają metalowe klipsy, aby utrzymać tkankę razem, ale nie można ich stosować w przypadku większych polipów i nie zawsze są skuteczne. Wysiłki mające na celu opracowanie żelu, który mógłby uszczelnić rany chirurgiczne, nie zakończyły się sukcesem, głównie dlatego, że materiały nie mogły przylegać do miejsca operacji dłużej niż 24 godziny.

Zespół MIT przetestował dziesiątki kombinacji materiałów, które ich zdaniem mogą mieć właściwości odpowiednie do tego zastosowania. Chcieli znaleźć preparaty, które charakteryzowałyby się wystarczająco niską lepkością, aby można je było łatwo podawać i rozpylać przez dyszę na końcu cewnika, która mieści się w komercyjnych endoskopach. Jednocześnie po kontakcie z tkanką preparat powinien natychmiast utworzyć twardy żel, który mocno przylega do tkanki. Chcieli także, aby żel był na tyle elastyczny, aby wytrzymać siły generowane przez ruchy perystaltyczne przewodu pokarmowego i przepływającą żywność.

Naukowcy opracowali zwycięską kombinację obejmującą polimer o nazwie pluronic, który jest rodzajem kopolimeru blokowego, który może samoorganizować się w kulki zwane micelami. Końce tych polimerów zawierają wiele grup aminowych, które kończą się na powierzchni miceli. Drugim składnikiem żelu jest utleniony dekstran, polisacharyd, który może tworzyć silne, ale odwracalne wiązania z grupami aminowymi miceli pluronic.

Po rozpyleniu materiały te natychmiast reagują ze sobą oraz z błoną śluzową przewodu pokarmowego, tworząc stały żel w czasie krótszym niż pięć sekund. Micele tworzące żel są „samonaprawiające się” i mogą absorbować siły, na które napotykają ruchy perystaltyczne i pokarm poruszający się w przewodzie pokarmowym, tymczasowo rozbijając się, a następnie ponownie składając.

„Aby uzyskać materiał spełniający kryteria projektowe i nadający się do podawania przez istniejące kolonoskopy, przeszukaliśmy biblioteki materiałów, aby zrozumieć, w jaki sposób różne parametry wpływają na żelowanie, adhezję, retencję i kompatybilność” – mówi Artzi.

Warstwa ochronna

Żel może również wytrzymać niskie pH i aktywność enzymatyczną w przewodzie pokarmowym oraz chronić tkankę przed tym trudnym środowiskiem podczas samogojenia, co podkreśla jego potencjał do stosowania w przypadku innych ran przewodu pokarmowego obarczonych wysokim ryzykiem krwawienia, takich jak wrzody żołądka, które wpływają na ponad 4 miliony Amerykanów rocznie.

W testach na zwierzętach naukowcy odkryli, że u każdego zwierzęcia leczonego nowym żelem nastąpiło szybkie uszczelnienie, a w ciągu tygodnia po zabiegu nie wystąpiły żadne perforacje, wycieki ani krwawienia. Materiał utrzymywał się przez około pięć dni, po czym został złuszczony wraz z wierzchnią warstwą tkanki w miarę gojenia się ran chirurgicznych.

Naukowcy przeprowadzili także kilka badań biokompatybilności i odkryli, że żel nie powoduje żadnych działań niepożądanych.

„Kluczową cechą tej nowej technologii jest naszym celem jest zapewnienie jej przełożenia. GastroShield został zaprojektowany do przechowywania w postaci płynnej w gotowym do użycia zestawie. Ponadto do utworzenia żelu nie jest wymagana żadna aktywacja, światło ani roztwór wyzwalający, co ma na celu zapewnienie łatwego i szybkiego stosowania endoskopowego” – mówi Muñoz, który obecnie kieruje pracami tłumaczeniowymi w firmie GastroShield.

BioDevek pracuje obecnie nad dalszym rozwojem materiału do ewentualnego zastosowania u pacjentów. Oprócz potencjalnego zastosowania w kolonoskopii żel ten może być również przydatny w leczeniu wrzodów żołądka i stanów zapalnych, takich jak choroba Leśniowskiego-Crohna, lub w dostarczaniu leków przeciwnowotworowych, mówi Artzi.

Badania zostały częściowo sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki.