Americkí bioinžinieri vyvinuli nové syntetické sekundové lepidlo, fungujúce aj na vlhkých povrchoch, ako napríklad vnútri tela. Inšpirovala ich látka, ktorú používa morský červ z Kalifornie pri budovaní svojich trubicových príbytkov. Kolónie tohto červa pripomínajú menšie koralové útesy. Lepidlo má zlepšiť fixáciu úlomkov kostí, napríklad pri zlomeninách kĺbov, a celkovo hojenie.
Russell Stewart z Utahskej univerzity v Salt Lake City (USA) si dlhšie uvedomoval medicínsky nepotešujúcu základnú skutočnosť, že pri trieštivých zlomeninách najmä kĺbov, ale napríklad aj tvárových kostí, zvyčajne vzniká mnoho úlomkov. Správne ich poskladať a na dobu hojenia zafixovať, aby nehrozil zápal, artritída a nefunkčnosť, je veľmi náročné.
Mechanické pomôcky, najmä kovové, riešia sprievodné problémy iba čiastočne. Ideálne by bolo akési sekundové lepidlo. V medicíne sa už používajú, ale zväčša iba na povrchové rany miesto šitia. Hlbšie v tele, ako pri zlomeninách, vzniká riziko toxicity lepidla či vedľajších produktov jeho chemických reakcií s tkanivom. Začal preto hľadať prírodné vzory, veď lepiace látky organizmov by nemali byť toxické. A jednu vhodnú aj našiel.
Russell Stewart v laboratóriu.
Foto: Fred Hayes for the University of Utah
Lepené hrady z piesku...
Používa ju morský červ druhu Phragmatopoma californica. Ako už naznačuje meno, žije v Kalifornii. Presnejšie na oceánskom pobreží, v zóne medzi hranicami najvyššieho a najnižšieho prílivu. Dlhý je iba asi dva a pol centimetra, hrubý asi tri milimetre.
Stavia si robustné a stabilné príbytky v podobe trubíc o málo hrubších, ako je sám. Základom sú čiastočky piesku a mušlí, ktoré červ zbiera desiatkami tykadiel a potom nimi manipuluje aj pomocou vláskových bŕv. Trubicu neopúšťa, materiál na jej ďalšie budovanie i potravu vyberá z vody počas prílivu tykadlami.
Materiál uchopí svalnatým „budovacím" orgánom, ktorý vyzerá ako kliešte. Na každú čiastočku vylúči dve kvapky svojho lepidla a zasadí ju na koniec trubice. Následne ju tam pridržiava si 25 sekúnd a mierne potriasa, aby dostatočne priľnula.
Lepidlo stuhne do 30 sekúnd po vylúčení. Tieto červy žijú v kolóniách. Príbytky si stavajú vedľa seba, až splynú do akýchsi miniaturizovaných koralových útesov, dosahujúcich celkové rozmery nanajvýš na úrovni osobného auta. Celé to potom na pláži vyzerá ako pahorok - ozajstný hrad z piesku a natrvalo zlepený.
Dva trubicovité príbytky morského červa druhu Phragmatopoma californica. Vnútri ľavého vidno pri ohybe trubice tmavé telo červa.
Foto: Russell Stewart, University of Utah
Detail na svalnatý „budovací" orgán červa.
Foto: Russell Stewart, University of Utah
Časť už neobývanej kolónie červích trubicovitých príbytkov, v pozadí je Russell Stewart.
Foto: Fred Hayes for the University of Utah
...a všetkého možného
Stewart sériou laboratórnych pokusov preukázal, že červy sa pri budovaní trubíc nemusia obmedzovať iba na bežný materiál, ktorý sa vyskytuje v ich prírodnom prostredí. Postupne vyskúšal úlomky vaječných škrupín, sklenné guľôčky, iné, hrubozrnejšie typy pieskov, aj sopečného pôvodu, aké sa vyskytujú napríklad na plážach Havajských a Kanárskych ostrovoch, kryštály oxidu zirkoničitého, ba aj úlomky kremíkových doštičiek, z ktorých sa vyrába základ elektronických čipov.
Predovšetkým však - veď to vlastne na začiatku podnietilo jeho záujem o celú túto problematiku - úlomky kostí. Použil obyčajné kravské, ktoré kúpil v supermarkete. Červy zobrali všetko a pokojne si aj z toho ďalej budovali svoje trubice. Takto vyšlo najavo, že ich lepidlo je naozaj široko použiteľné a jeho nasadenie sa nemusí obmedzovať iba na konkrétne reálie červieho života na oceánskom pobreží.
Tu si červ nadstavuje príbytok úlomkami vaječnej škrupiny...
Foto: Russell Stewart, University of Utah
...a tu sklenými guľôčkami.
Foto: Russell Stewart, University of Utah
Červami použité sklenné guľôčky s kvapkami červieho lepidla.
Foto: Russell Stewart, University of Utah
Červ vykúka z konca trubice a pomocou množstva svojich tykadiel ju nadstavuje gorálikmi oxidu zirkoničitého.
Foto: Fred Hayes for the University of Utah
Prírodný chemický základ
Ďalším krokom bolo určenie chemického zloženia červieho lepidla a jednotlivých faktorov jeho účinnosti. Už dávnejšie sa vie, že obsahuje bielkoviny a látku nazývanú dopa, čo je aminokyselina 3,4-dihydroxy-L-fenylalanín, kde "L" značí ľavotočivú orientáciu jej molekuly.
Jestvuje aj pravotočivá verzia tejto látky, s "D". L-dopa sa v mozgu a ostatnom tele premieňa na dopamín, neuroprenášač s mnohými fyziologickými účinkami.
L-dopa sa používa ako doplnok stravy a liek. P-dopa oproti tomu nemá známe biologické funkcie. L-dopa tvorí zložku prírodného lepidla, ktorým sa mušle prichytávajú na skaly a lodné trupy. Červie lepidlo navyše tvoria dve bielkoviny, jedna kyslá čiže záporne nabitá, druhá zásaditá čiže kladne nabitá.
V obidvoch prípadoch sú to polyméry, teda veľké zlúčeniny vytvorené opakovaním tých istých jednotiek v molekulovom reťazci.
Ďalšími zložkami červieho lepidla sú kladne nabité ióny vápnika a horčíka. Hlavné reťazce spomenutých bielkovín sú polyamidové. Tvoria akúsi chrbticu, na ktorej sú navešané bočné reťazce. Aby sme to neprehnali s chemickými podrobnosťami, pri červiom lepidle stačí povedať, že tu vzniká pre využitie ľuďmi problém - syntéza polyamidových reťazcov je nepraktická.
Upravená príroda
Stewart s kolegami preto v syntetickej verzii červieho lepidla použil miesto polyamidových hlavných reťazcov polyakrylátové, syntetické polyméry.
Opäť bez chemických podrobností, ktoré si každý môže nájsť na internete, polyakrylátové reťazce sú rozpustné vo vode a tvoria základ komerčných sekundových lepidiel. A nielen ich, bez toho, aby si to väčšina z nás uvedomovala, polyakryláty využívame v leštidlách na dlážku a nábytok, lakoch na nehty, predmetoch s lepkavou vrstvou, nálepkách či lepiacich páskach, ktoré jednoducho pritlačíme na miesto, kde majú priľnúť, a napokon v plexiskle.
Všetky bočné reťazce však Stewartov tím verne skopíroval, aby sa zachovala funkčnosť. Na lepkavosti sa podieľa najmä spomenutá látka L-dopa, pri ostatných bočných zložkách išlo v prvom rade o napodobnenie usporiadania kladných a záporných elektrických nábojov v červiom lepidle. V konečnom dôsledku sa im v pracovnom roztoku vyzrážalo syntetické lepidlo.
V ňom sa obe polymérové zložky preplietli bočnými reťazcami a vznikli chemické väzby, ktoré umožňujú stvrdnutie lepidla v inom prostredí. Lepidlo sa v pracovnom roztoku nerozplývalo a tak ho odtiaľ bádatelia mohli nasávať do injekčných striekačiek.
Lepenie kostí
So Stewartom spolupracoval najmä dvaja kolegovia z Utahskej univerzity - ďalší bioinžinier, doktorand Hui Shao a ortopéd Kent Bachus.
Syntetické lepidlo aplikované injekciami skúšali na malých, asi centimetrových kockách kravských kostí. Posypali ich pieskom, aby zdrsnili povrch, navlhčili a lepili dokopy. Funkčnosť vo vlhkom prostredí bola kľúčová - inak by sa lepidlo nedalo nasadiť pri liečbe roztrieštených kostí.
Veľká väčšina sekundových lepidiel na vlhkých povrchoch nefunguje a ak, sú toxické, teda nevhodné na použitie v organizme. Stewartov tím pri mechanickej skúške nového syntetického lepidla odťahovaním zlepených kostných kociek dosiahol 37 percent výkonnosti špičkového komerčného sekundového lepidla. Kocky predtým držali 24 hodín vo vlhku a teple, aby čo najlepšie napodobnili vnútorné prostredie tela, vplyv krvi a iných telesných tekutín.
Použitie nového syntetického lepidla na fixáciu drobných úlomkov kostí, osobitne na citlivých a mechanicky zaťažovaných miestach, ako sú kĺby kolien, zápästí, lakťov a členkov, sľubuje podstatne ľahšiu liečbu trieštivých zlomenín, ako pri terajšom nasadení prevažne kovových klinov, doštičiek a šraub.
Do nového lepidla by sa tiež mohli pridávať lieky proti bolesti a zápalu, antibiotiká a najmä rôzne rastové faktory. V situáciách, kde bola časť kosti odstránená, či už zranením, alebo operáciou pri rakovine, by lepidlo poslúžilo na fixáciu „lešenia" z iných látok pre v ňom obsiahnuté kmeňové bunky, obnovujúce kosť. Lepidlo by mohlo prenášať aj gény, ktorých činnosť by vyvolala rast kostného tkaniva.
Prvou funkčnou verziou syntetického sekundového lepidla pre vlhké vnútrotelové prostredie, inšpirovaného červím lepidlom, sa práca iba začala. Russell Stewart nad mikroskopom.
Fred Hayes for the University of Utah
Stewart podal na nové lepidlo patentovú prihlášku. Chce ho ďalej vyvíjať, aby vytváralo ešte pevnejšie spoje, lepšie sa znášalo s ľudským telom a telo ho časom prirodzene odbúralo. Licenciu na zrelý produkt potom ponúkne externej firme, aby ho uviedla na trh. Pre dokončenie pokusov na zvieratách ráta s horizontom 1 - 2 rokov. Klinické skúšky s ľudskými pacientami a schvaľovacie procesy by sa mohli zavŕšiť za päť až desať rokov.
Hlavný zdroj: Komuniké University of Utah z 24. novembra 2008.
