Nowe kopolimery typu Bottle-Brush, a choroba zwyrodnieniowa stawów
New Bottle-Brush copolymers, and osteoarthritis
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: szczotki molekularne ATRP choroba zwyrodnieniowa stawów
Słowa kluczowe (angielski): molecular brushes ATRP osteoarthritis
Członkowie konsorcjum: Projekt nie był realizowany w ramach konsorcjum
Okres realizacji projektu: 13.02.2019 - 12.02.2023
Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Nazwa programu: Opus
Kierownik projektu: Marcin Kozanecki
Wartość dofinansowania: 1 788 120,00 PLN
Wartość projektu: 1 788 120,00 PLN
Choroba zwyrodnieniowa stawów jest współczesnym wyzwaniem epidemiologicznym o nieznanej dotąd etiologii, dotyczącym ponad 20% populacji świata, główną przyczyną niesprawności ruchowej społeczeństwa. Nie istnieją metody diagnostyczne pozwalające na detekcję schorzenia w początkowych stadiach choroby co ostatecznie prowadzi do ingerencji chirurgicznej i protezowania. Opisane w literaturze mechanizmy funkcjonowania stawów ssaków, w tym ludzi, wskazują na kluczowe znaczenie lubrycyny - naturalnego aminokwasu o szczególnej budowie przestrzennej. Hipoteza badawcza zakłada, iż zmiany chorobowe poprzedza zmiana struktury chemicznej chrząstki, oraz ubytek lubrycyny, co prowadzi do zmian mechanizmu funkcjonowania stawu, w tym właściwości tribologicznych (tarciowych), powodując jego degenerację. Kluczowym jest zrozumienie zjawisk oraz zidentyfikowanie elementów odpowiedzialnych za takie właściwości chrząstek stawowych. Stanowi to fundamentalny problem, którego rozwiązanie wymaga połączenia zagadnień medycyny, syntezy i analizy chemicznej oraz inżynierii materiałowej. Istotą i celem badań jest określenie zależności pomiędzy strukturą chrząstki stawowej, a stopniem rozwoju choroby zwyrodnieniowej stawów, co pozwoli poznać mechanizm degeneracji chrząstki stawu i możliwości diagnozy schorzenia w jej wczesnych stadiach. Umożliwi to zaprojektowanie, zsyntezowanie i weryfikację pod kątem zastosowań w chorobie zwyrodnieniowej na różnych stopniach jej zaawansowania nowych kopolimerów o topologii szczotek molekularnych (ang. bottlebrush). Otrzymane polimery stanowić będą substancje modelowe (analogi) lubrycyny. W programie badań przewidziane jest opracowanie metodologii określania oddziaływań polimerów z powierzchnią tkanki chrzęstnej, charakterystykę własności uzyskanych układów. Szczotki molekularne syntezowane będą z wykorzystaniem polimeryzacji rodnikowej z przeniesieniem atomu. To jedna z najefektywniejszych metod kontrolowanej polimeryzacji rodnikowej oferująca możliwość syntezy różnorodnych materiałów polimerowych o ściśle zdefiniowanej architekturze, składzie i funkcyjności. Zsyntezowane zostaną szczotki molekularne o różnym składzie chemicznym, długości szkieletu (DPBB), ilości i długości łańcuchów bocznych (DPSC) oraz bloków umożliwiających oddziaływania z powierzchnią (DPSB). W projekcie proponuje się wprowadzenie w strukturę szczotek molekularnych nowych grup funkcyjnych, które będą zdolne do oddziaływań z powierzchnią chrząstek w różnych stadiach zaawansowania choroby zwyrodnieniowej. Obecność jednostek zawierających odpowiednio zróżnicowane grupy funkcyjne wprowadzane bezpośrednio bądź w procesach modyfikacji, np. grupy kwasowe, epoksydowe, ketonowe czy tiolowe zapewni oddziaływania szczotek z grupami funkcyjnymi biologicznego podłoża, np. NH2. Określenie stopnia zróżnicowania budowy chemicznej chrząstek stawu w różnych stadiach ich zmian chorobowych, jak również wzajemnych oddziaływań polimeru z powierzchnią tkanki chrzęstnej wykonane będzie z wykorzystaniem spektroskopii Ramana jako potencjalnej metody diagnostycznej pozwalającej na detekcję zmian we wczesnych stadiach choroby co stanowi istotny problem kliniczny. Opracowane zostaną procedury analityczne z wykorzystaniem szerokiego zakresu parametrów widmowych (szerokości połówkowe, położenia maksimów pasm, intensywności integralne, itp.). Kolejnym krokiem będzie naniesienie polimeru na wybrane próbki tkanki chrzęstnej w warunkach ex vivo oraz określenie sposobu i skuteczności kotwiczenia polimeru na powierzchni tkanki. Powierzchnia próbek będzie badana zarówno przed testami trybologicznymi, jak i po ich zakończeniu w celu określenia skuteczności polimeru jako substancji smarnej oraz zmian stopnia pokrycia tkanki polimerem na skutek tarcia. Badania wstępne pokazały, że kopolimery o budowie chemicznej zbliżonej do proponowanej w projekcie wzmagają żywotność fibroblastów ludzkich komórek o 27% przy stężeniu 50 ppm oraz o 10% przy stężeniu 98,9 ppm. Podobnie oceniono wpływ polimerów na stan aktywacji leukocytów w warunkach in vitro w postaci hodowli jednojądrzastych komórek z krwi obwodowej zdrowych dawców. W badaniach tych stwierdzono proliferację komórek na poziomie 20% przy stężeniach polimeru do 100 ppm. W zamyśle projektu jest opracowanie metody diagnostycznej opartej na analizie widm Ramana chrząstki stawowej uzyskiwanych za pomocą specjalnie skonstruowanej sondy. Docelowo przewidywaną terapią jest możliwość wprowadzania kopolimeru bezpośrednio do zmienionego chorobowo stawu co zobrazowano na rysunku.
Osteoarthritis poses a contemporary epidemiologic problem of unknown etiology hitting more than 20% of global population. It is a main reason of physical disability of aging population. There are no effective methods to diagnose this disease at its earlier stage, thus in most cases a surgical intervention and prosthetic is necessary. Mechanisms of functioning of mammals (including human) joints described in literature indicate the crucial role of lubricin – natural amino acid with special spatial structure. The proposed research hypothesis assumes that the medical problems related to osteoarthritis are preceded by a change in the chemical structure of the cartilage and the loss of lubricin, that subsequently leads to the changes in the mechanism of joint functioning, including tribological properties, causing the joint degeneration. The key issue is to understand the phenomena and identify the elements responsible for the specific properties of cartilage. It is a fundamental problem, which could only be solved if the knowledge from various scientific fields, such as medicine, synthesis and chemical analysis as well as materials engineering will be fused. The aim of the proposed study is to determine the relationship between the structure of articular cartilage and the degree of development of osteoarthritis. This will aid to understand a mechanism of cartilage degeneration and to diagnose disease at the earlier stage. As a result, the design and synthesis of new copolymers with a molecular bottlebrush topology and their applications at various levels of advancement of the degenerative disease will be possible. Obtained polymers will serve as synthetic models of lubricin. The project tasks include also the elaboration of novel methodology useful to determine the interactions between synthesized copolymers and cartilage tissue, characterization of the properties of obtained systems (including study on an influence of polymers introduced to the joint on cartilage etiology). Molecular bottlebrushes will be synthesized using atom transfer radical polymerization, ATRP. It is one of the most effective reversible-deactivation radical polymerizations methods, providing a new synthetic route to various polymeric materials with precisely defined architecture, composition and functionality. Molecular brushes with different chemical compositions, backbone length, number and length of side chains and blocks that allow interaction with the surface will be synthesized. It is also proposed to introduce novel functional groups that will interact with cartilage surface at different stage of osteoarthritis development. Presence of appropriate functional groups, for example acidic, epoxy, ketone, thiol, introduced directly or by the post-polymerization modification processes, will help to anchor bottlebrush polymers onto the cartilage surface via interactions with functional groups of the tissues (for example amino groups). Determination of the changes in the chemical structure of the articular cartilage at different stages of disease development will be performed by Raman spectroscopy, which is a potential diagnostic method allowing to detect osteoarthritis at the earlier phase. The novel analytical procedures will be developed based on broad range of spectral parameters (full width at half maximum, peak positions, integral intensities, etc.). The next step will be a deposition of the selected copolymers onto the cartilage surface under ex vivo conditions and determination how the polymer chains are anchored at the cartilage surface. The sample surface will be investigated before and after tribological tests in order to estimate the efficiency of synthesized copolymer as lubricant and the changes in degree of surface covering induced by friction. The preliminary studies showed that, the copolymers with the chemical structure similar to proposed in the project enhanced the human fibroblast cell vitality at the level of 27% at the polymer concentration 55 ppm and 10% at 98 ppm concentration. In a similar way, the influence of polymers on the activity of human leucocytes (mononuclear cells selected from peripheral blood) was determined. 20% cells proliferation was detected at up to 100 ppm polymer concentration. The main idea of the project is to elaborate new diagnostic method based on an analysis of Raman spectra of articular cartilage collected through the special probe. It is proposed that the copolymer will be delivered to the degenerated joint directly as it is demonstrated in the figure. This approach can potentially lead to development of a combined therapy, including simultaneous diagnosis and medical treatment within one medical operation procedure with potentially significant societal and economic impacts.
Powrót