Prawidłowo zbudowany i unerwiony pęcherz moczowy gromadzi mocz pod niskim ciśnieniem i wydala go w sposób bezprzeszkodowy, bez zalegania i zgodnie z naszą wolą. Gdy pęcherz moczowy jest zbyt mały, mocz gromadzi się w nim pod zbyt dużym ciśnieniem i cofa do nerek, co grozi ich uszkodzeniu.
Istnieje wiele wrodzonych i nabytych schorzeń prowadzących do powstania małego, wysokociśnieniowego pęcherza moczowego. Do najczęstszych z nich należą dysfunkcje neurogenne, przewlekłe zapalenia, wady wrodzone i rozwojowe dróg moczowych oraz urazy.
Metodą leczenia małego, wysokociśnieniowego pęcherza moczowego jest zabieg chirurgiczny polegający na rekonstrukcji ściany pęcherza moczowego z wykorzystaniem wyizolowanego fragmentu jelita cienkiego lub grubego pacjenta. Celem zabiegu jest powiększenie pojemności rekonstruowanego pęcherza moczowego, obniżenie ciśnienia środpęcherzowego, zapobieżenie cofaniu się moczu do górnych dróg moczowych i ich uszkodzeniu.
Jelito, pomimo szeregu powikłań związanych z jego użyciem, jest materiałem wykorzystywanym w urologii rekonstrukcyjnej od ponad 100 lat. Powikłania augmentacji pęcherza moczowego wynikają z wykonania dodatkowego zabiegu chirurgicznego na jelicie (rozejście zespoleń, skrócenie powierzchni wchłaniania) oraz odmiennych właściwości ściany przewodu pokarmowego i dróg moczowych (zaburzenia równowagi osmotycznej i elektrolitowej, demineralizacja kości, zwiększone wydzielanie śluzu, kamica i inne).
Celem badań prowadzonych przez Zespół Zakładu Medycyny Regeneracyjnej, Banku Komórek i Tkanek, Katedry Urologii i Andrologii CM UMK jest zbudowanie substytutu ściany pęcherza moczowego technikami inżynierii tkankowej – wszczepu, który pozwoli na wyeliminowanie konieczności stosowania jelita w zabiegach rekonstrukcyjnych dróg moczowych i związanych z nim powikłań.
Ssaki wraz z osiągnięciem najwyższego poziomu rozwoju filogenetycznego utraciły niemalże całkowicie zdolność do regeneracji. U ssaków dominującym sposobem gojenia się tkanek jest naprawa, czyli gojenie poprzez wytworzenie się blizny. Zdolność do regeneracji u dorosłych ssaków jest ograniczona do wybranych tkanek, niewielkich urazów i nie jest kompleksowa.
Regeneracja pęcherza moczowego, pomimo jego stosunkowo prostej budowy, pozostaje dużym wyzwaniem nie tylko ze względu na brak naturalnych zdolności regeneracyjnych pęcherza, ale również niekorzystne środowisko regeneracji. Mocz wpływa cytotoksycznie na wszczepiane komórki. Nasze badania potwierdzają, że nawet jednogodzinna inkubacja komórek z moczem prowadzi do znacznego obniżenia ich żywotności.
Początkowo, nasze badania prowadzone były na małym modelu zwierzęcym. Porównaliśmy potencjał szeregu biomateriałów i komórek do regeneracji rekonstruowanej ściany pęcherza moczowego. Poszukiwaliśmy odpowiedzi na pytania co do molekularnych i komórkowych podstaw procesu regeneracji rekonstruowanego pęcherza moczowego. Wykazaliśmy, że w rekonstruowanych z wykorzystaniem komórek macierzystych pęcherzach moczowych aktywowane są ścieżki sygnałowe, które odgrywają kluczową rolę w organogenezie pęcherza moczowego. Regeneracja pęcherza jest więc niejako powtórzeniem jego organogenezy.
Odkryliśmy również, że dominującym mechanizmem indukującym regenerację pęcherzy moczowych rekonstruowanych z wykorzystaniem wszczepów wysianych komórkami jest ich troficzny wpływ. Wszczepione komórki wydzielając czynniki troficzne stymulują komórki natywnej ściany pęcherza moczowego do zasiedlania wszczepu. Te które obumierają działają jak warstwa odżywcza – stanowią źródło czynników wzrostowych dla migrujących komórek.
Przejście na duży model zwierzęcy wiązało się z koniecznością zorganizowania całego zaplecza do operowania dużych zwierząt: w tym sal operacyjnych i oddziału intensywnej opieki medycznej (OIOM). Nie byłoby to możliwe bez zaangażowania Kliniki Weterynaryjnej Vetlab w Brudzewie. Dopiero badania na dużym modelu zwierzęcym pozwoliły nam zidentyfikować problemy, z którymi możemy spotkać się w praktyce klinicznej. Jednym z nich jest problem z unaczynieniem centralnej części wszczepu. Szybka rewaskularyzacja wszczepu jest czynnikiem warunkującym przeżywalność wszczepionych komórek i redukującym bliznowacenie.
UROGRAFT – wynalazek, nad którym obecnie pracujemy, to wszczep do rekonstrukcji dróg moczowych człowieka zbudowany z kilku różnych biomateriałów i komórek macierzystych. To wszczep spełniający kryteria produktu leczniczego terapii zaawansowanej (ang. Advanced Therapy Medicinal Product, ATMP), czyli produkt w skład, którego wchodzą komórki poddane znaczącej manipulacji oraz pełniące inne podstawowe funkcje u dawcy i u biorcy. Komórki, z których zbudowany jest UROGRAFT to mezenchymalne komórki macierzyste izolowane z tkanki tłuszczowej, a następnie hodowane przez okres kilku tygodni celem uzyskania ich odpowiednio dużej liczby i ujednolicenia fenotypu – poddawane więc znaczącej manipulacji. Zmienia się też ich podstawowa funkcja w organizmie, mezenchymalne komórki macierzyste izolowane są z tkanki tłuszczowej, a służą do odtworzenia tkanek budujących drogi moczowe.
Produkcja wszczepu UROGRAFT obejmuje syntezę kompozytowych rusztowań, izolację i hodowlę komórek macierzystych tkanki tłuszczowej, a następnie ich wysianie na rusztowaniach i hodowlę w bioreaktorze. Cały proces trwa około 2 miesięcy i wymaga zaangażowania naukowców z różnych dziedzin, w tym: chemików, biotechnologów i analityków medycznych.
Unikalną cechą produktu UROGRAFT jest jego biokonfigurowalność czyli zdolność doboru kształtu i wielkości w zależności od indywidualnych potrzeb pacjenta. Pacjentami wymagającymi operacji rekonstrukcyjnych dróg moczowych są zarówno niemowlęta, dzieci, jak i dorośli. Biokonfigurowalność pozwala na dobranie optymalnego wszczepu dla każdej z tych grup i personalizację terapii.
Droga wprowadzenia produktu ATMP do praktyki klinicznej jest bardzo długa i kosztowna. Projekt „UROGRAFT – biokonfigurowalny kompozytowy wszczep indukujący regenerację ściany pęcherza moczowego” finansowany jest ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER IX (2019–2022).
Prototyp produktu UROGRAFT jest obecnie testowany w badaniach przedklinicznych na dużym modelu zwierzęcym. Efektem końcowym projektu ma być w pełni przebadany produkt gotowy do rozpoczęcia badań klinicznych.
Dzięki zorganizowaniu w ramach struktur Katedry Urologii i Andrologii, Zakładu Medycyny Regeneracyjnej, Banku Komórek i Tkanek posiadamy pełne zaplecze laboratoryjne, by taki wszczep wytworzyć zgodnie z zasadami dobrej praktyki wytwarzania (ang. Good Manufacturing Practice, GMP), a następnie wszczepić pacjentom. Powoli też zbliżamy się do tego celu.
Dr hab. Marta Pokrywczyńska, prof. UMK – kierownik Zakładu Medycyny Regeneracyjnej, Banku Komórek i Tkanek, Wydział Lekarski Collegium Medicum UMK
