Možné reakce organismu na polymerní nosiče s biologicky aktivními látkami (léčivem)
1
Polymer je látka sestávající z jednotlivých monomerů, tedy z molekul jednoho nebo více druhů atomů. Počet merů udává polymerační stupeň n, který mívá hodnotu 10 až 106. Chemické sloučeniny s nízkým polymeračním stupněm nazýváme oligomery, s vyšším polymeračním stupněm polymery.
Polymery typicky vznikají polymerací nebo polykondenzací. Polymery biologického původu nazýváme biomakromolekulární látky nebo biopolymery.
Xenobiotika - cizorodé látky Jakákoliv látka vpravená do organismu vyvolává určitou odezvu.
odpověď = reakce organismu na daný typ látky.
Reakce organismu můžeme rozdělit na dvě možné: kvalitativní a kvantitativní. Kvalitativní reakcí se rozumí způsob, tedy charakter odpovědi na účinek látky. Kvantitativní reakcí se rozumí velikost účinku na danou látku. Účinnost látky je vlastnost hodnocené látky vztahující se k její schopnosti vyvolat účinek tedy reakci organismu. Určitou biologickou odpověď vyvolává jakákoliv látka vpravená do organismu v dostatečném množství. 3
Aplikace léčiv
Aby mohl lék působit, musí se obvykle dostat nejprve do krve právě ona ho totiž může donést až na místo určení. Pro transport látky v organismu má značný význam její rozpustnost v jednotlivých tkáních a vazba na bílkoviny, obojí za aktuálního pH.
Vazba na bílkoviny představuje reverzibilní imobilizaci (znehybnění, ukotvení) látky depotní (uložená) forma
metabolismus
Metabolismus xenobiotika • tělo odstraňuje xenobiotika pomocí (látková přeměny) metabolismu
katabolismus (rozkladné děje)
vs
anabolismus
vs
(syntetické děje)
• deaktivace látky znamená její odbourání z těla •Odbourávání cizorodých látek dochází v játrech - hepatitické enzymy (oxidace, redukce, hydrolýza, hydratace). • konjugace sekundárních metabolitů s glukuronovou nebo sírovou kyselinou, nebo glutathionem, následuje vyloučením látek žlučí nebo močí. 7
Biologická účinnost a úroveň jejího hodnocení
Výsledná odpověď - souhrn dílčích pochodů (absorpce, distribuce, vylučování, metabolismus a interakce s biomakromolekulami v cílových tkáních) • Nejjednodušší - sledování biochemické reakce odpovědné za vznik účinku na molekulární úrovni, nebo na úrovni orgánů (in situ) • Spojení hodnotících účinků - in vivo a in vitro
8
Nároky na materiály •anorganické (kovy, keramika a sklo), •polymerní (přírodní i syntetické), např.
srdeční chlopně, umělé cévy, medicinální adheziva, šicí materiály, dentální kompozity a polymery pro řízený transport
léčiv (drug delivery system). Biokompatibilita
- zvážit možnost přeměny materiálu ze stavu netoxicity do bioaktivity Biomimetics - „ne-biologickou“ cestou vytvořit materiál velmi podobný přírodnímu. Tvorba pomocí studia funkcí a struktur přírodních materiálů a jejich napodobení.
9
Biodegradace (biologický rozklad)
proces, kdy jsou organické látky odbourávány živými organismy. •
aerobně – při působení kyslíku
•
anaerobně – bez působení kyslíku.
Metabolity produkované plísněmi a bakteriemi způsobují degradaci samotného polymeru.
Nebezpečí mikroorganismy – transformace nebo akumulace obrovského množství sloučenin, včetně uhlovodíků, polychlorovaných bifenylů (PCB), polyaromatických uhlovodíků, farmaceutických přípravků, radionuklidů a kovů.
10
Mikrobiální degradace plastů (1) Dehydrogenace polymerů a adice vody, vznik alkoholů, které jsou
oxidovány na
mastné kyseliny.
(2) Adice volného kyslíku za vzniku hydroxyperoxidu, který se rozpadá a produkty reagují za vzniku alkoholů a dalších sloučenin, jež jsou odbourávány až na kyselinu octovou nebo propionovou.
(3) Celulóza a některé termoplasty jsou přes pyruvát a acetylkoenzym-A jsou převáděny do trikarboxylového cyklu. Vznikají tak kyselina citrónová, jantarová, fumarová, jablečná atd. Měření účinnosti • aerobní - spotřeba kyslíku nebo produkce CO2-(DR4 test – 4-day dynamic respiration index). •anaerobní - množství vzniklého metanu (BMP 100 test – 100 day biogenic methane potential test). 11
Biodegradace materiálů biopolymery (celulóza) speciální biopolymery (kyselina polymléčná) syntetické biodegradovatelné polymery (polyethylen)
Typ materiálu
„Doba rozpadu“
Bavlněný hadr
1-5 měsíců
Papír
2-5 měsíců
Ropa
3-14 měsíců
Pomerančová slupka
6 měsíců
Vlněné ponožky
1 až 5 let
Cigaretové nedopalky
1 až 12 let
Plastem potažené papírové krabice na mléko
5 let
Kožené boty
25 až 40 let
Nylon textilie
30 až 40 let
Hliníková plechovka
80 až 100 let
Skleněná láhev
1 milion let
12
Biokompatibilita biokompatibilita – snášenlivost látek zejm. materiálů v biologickém prostředí; biokompatibilní materiál se posuzuje podle interakce s prostředím, zejm. podle cytotoxického působení, podle toxikologických a alergických reakcí, podle karcinogenních, teratogenních či mutagenních reakcí, podle vlivu na infekční procesy, podle rozsahu a kvality biodegradace. Důležité je, aby materiál neovlivňoval např. koagulace, nevyvolával zánětovou reakci, neuvolňoval potenciálně toxické látky.
13
Faktor času •
Biokompatibilita dlouhodobých implantátů
•
Biokompatibilita implantátů pro krátkou aplikaci (interakce s krví je minimální)
•
Biokompatibilita produktů tkáňového inženýrství (scaffoldů nebo matrix)
Biokompatibilita umělých materiálů a lidského těla - velmi komplikovaný proces (tradičně se tímto problémem zabívá lékařská věda, nauka o površích, materiálových naukám a molekulární biotechnologii) 14
Biovrstva - obsahující vodu, proteiny a další biomolekuly z fyziologických tekutin. Buňky z okolních tkání následně migrují do prostoru kolem implantátu, aby
stimulovaly cytokinetikou a růstovými faktory vznikající biovrstvu. Interakce mezi povrchem implantátu a buňkami je zprostředkována právě touto biovrstvou. Poměr povrchu ku objemu implantátu, pórozita, atd. - vyšší činnost mikrofágů než u hladké komponenta ze stejného materiálu.
15
Imunita - základní vlastnost organismu, chrání jeho integritu před cizími vlivy zvláště mikroorganismy. Pomocí buněk (lymfocytů, makrofágů, aj.) a protilátek (imunoglobulínů) dochází k zneškodnění cizích mikroorganismů. Imunita přirozená - soubor fylogenetických starých reakcí organismu přítomných a využívaných již od narození Imunita získaná (specifická) -je schopnost organismu specificky reagovat
na cizorodý materiál antigenní povahy - specializované buňky, T a B lymfocyty Imunita buněčná je vytvářena T lymfocyty (likvidace cizorodých organismů) Imunita humorální (protilátková), její podstatou je tvorba protilátek
(imunoglobulinů)
16
Brzlík je hlavním orgánem pro diferenciaci a funkční dozrávání T lymfocytů. Slouží jako „škola“ pro bílé krvinky vytvořené v kostní dřeni
Bílé krvinky leukocyty 4-10.109/l
granulocyty neutrofil
bazofil
agranulocyty eozinofil monocyt lymfocyt
Jak protilátky, lymfocyty a makrofágy fungují
1.
T-lymfocyt je v brzlíku aktivován, aby byl schopen reagovat na útočný antigen – virus, houbu, parazita nebo rakovinnou buňku.
Zaktivovaný T-lymfocyt (neboli “zabíječ”) je vypuštěn do krevního řečiště, aby se zaměřil na útočníka. 2.
Zalarmovaný T-lymfocyt zaútočí na označenou antigenní buňku nebo virem napadenou tělní buňku a přilepí se na ni. 3.
19
. T-lymfocyt potom prolomí buněčnou stěnu útočníka a antigen vyvolávající nemoc je zničen. 4
Jak protilátky, lymfocyty a makrofágy fungují
. B-lymfocyt objevuje útočné bakterie a vyrábí speciální protilátky, aby udeřily na útočníky. 1
. Protilátky specifické pro antigen útočníka (bakterie) jsou vypuštěny do krevního řečiště. 2
Protilátky se přilepí na útočné bakterie a tím je označí makrofágům. 3.
20
. Makrofágy – “žravé” bíle krvinky – pohltí a stráví označené bakterie 4
Lymfatická soustava (mízní soustava) je jednosměrná soustava lidského těla, vedoucí z mezibuněčných prostor do krve mízními cévami. bezbarvá míza proudí v soustavě cév – pouze bílé krvinky (lymfocyty) – proudí jedním směrem .
Nosní a krční mandle: nahromadění lymfoidní tkáně, kde se v době infekce soustřeďují lymfocyty
Apendix: jeden z několika břišních orgánů dobře zásobený mízními cévami
Brzlík: orgán, který obsahuje B a T-lymfocyty a makrofágy. T-lymfocyty zde zrají.
Slezina: orgán, ve kterém se soustřeďují Blymfocyty, T-lymfocyty a makrofágy
Lymfatické uzliny: nahromadění lymfoidní tkáně ve spojení mízních cév; zde se míza filtruje
Kostní dřeň: tkáň Lymfatické cévy: větší “lymfovody”
21
v dutinách kostí, ve které vznikají lymfocyty. Ty dozrávají po vypuštění do krevního oběhu.
Krev - asi 8% hmotnosti těla, Tekutá součást krve (plazma) - asi 55 % z celkového objemu krve, (proteiny, minerály, produkty trávení a metabolismu cukrů, tuků, bílkovin a řadu dalších látek, buněčné elementy, krvinky a krevní destičky:
Červené krvinky (erytrocyty) – nejběžnější krevní buňky, funkcí je přenášení kyslíku v krvi (navázán na hemoglobin). Bílé krvinky (leukocyty) - nejpočetnější jsou polymorfonukleární leukocyty,
Krevní destičky (trombocyty) – srážlivost krve Erytropoetin (EPO) – hormon podporující tvorbu červených krvinek. Nežádoucím vedlejším účinkem EPO je zahušťování krve, což vyžaduje vyšší výkon srdce, může vést ke vzniku krevních sraženin a v krajním případě i k selhání srdce.
22
Jan Janský (3.4.1873 - 8.9.1921) -Jako psychiatr se od počátku své lékařské praxe zabýval vztahem mezi aglutinací (shlukováním) krve a duševními
poruchami. Po několikaletém výzkumu pak dospěl k poznání, že tento vztah neexistuje, tedy že mezi srážením krve a duševními onemocněními člověka není žádná spojitost
"Hematologická studie u psychotiků" (1907),
23
Koagulace krve aktivovaná kontaktem s umělým materiálem působí problémy trombus (hemofilie) • Antikoagulanty, nejčastěji mukopolysacharid heparin
• Tvorba trombů znemožňuje náhradu poškozených cév o malém průměru polymerními implantáty
24
Zjednodušené znázornění tvorby krevní sraženiny a účinek antigenu v krevním řečišti
Vznikne-li antigen do krve [A], vyvolá hromadění lymfocytů (žlutě), které na svou povrchovou membránu váží speciální protilátky [B] lymfocyt
25
Odezva organismu Zánět (inflammation) je obranná reakce tkáně a orgánu na poškození
(infekce, fyzikální a chemické vlivy) - otok, bolest, zarudnutí, zteplání, porucha funkce. Pozánětlivé
poškození tkáně - často: nadměrná tvorba vaziva. Zánět – akutní, infiltrace bílými krvinkami na hnisavý (akutní zánět způsobený bakteriemi s nahromaděním neutrofilů ) Zánět - chronický lymfocytární nebo virový zánět s infiltrací
lymfocyty).
26
Zánět a jeho popis: Čtyři z 5 klasických známek zánětu popsal již v 1. stol.
římský lékař Aurelius Celsus: rubor (zarudnutí), turgor (zduření), calor (zteplání), dolor (bolest). Místo „turgor“ se uvádí někdy tumor.
Aulus Cornelius Celsus (25 př.n.l. ) jeden z největších římských lékařských spisovatelů, dílo De medicina, nyní považované za jedno z největších klasických děl, bylo současníky opomíjeno. 27
Faktory implantátu, které ovlivňují jeho přijetí či nepřijetí organismem : • Objemové vlastnosti: chemické složení, struktura, čistota a přítomnost vyluhovatelných substancí
• Povrchové vlastnosti: hladkost, geometrie, hydrofilnost, povrchový náboj • Mechanické vlastnosti: elastický modul, stabilita, fixace
• Dlouhodobá strukturální celistvost: odolnost vůči únavě, lomovému zatížení, opotřebení, tečení (creep) a korozi za napětí 28
Struktura povrchu implantačních materiálů Nejen biokompatibilita materiálů, ale zejména jejich povrch a velikost pórů je velice důležitá vlastnost implantačních materiálů.
29
Implantát může ovlivňovat okolní tkáně : • Lokálně – např. adsorpcí proteinů, adhezí krevních destiček, adhezí leukocytů, toxicitou, enkapsulací, zjizvením, infekcí, tumorogenezíí Systémově – např. embolizací (uzavření krevního řečiště), přecitlivělostí, uvolňování částí implantátu do krevního oběhu, vliv na lymfatický systém (míza). Další vlivy: věk a zdravotní stav pacienta, úroveň imunologických reakcí a metabolismu, míra poškození okolní tkáně při chirurgickém zákroku.
30
Biologická odezva - reakce organismu a krátkodobé i dlouhodobé vlivy implantátu na okolí . Reakce mohou být příznivé i nepříznivé.
• Interakce s krví - korelaci mezi povrchem biomateriálu a krevní kompatibilitou • Dominantní prvek v hodnocení interakce mezi cizorodou látkou a organismem je enkapsulace implantátu vlákennou tkání, která vytváří léze (poškození tkáně) označované jako granulom
•Trvalý granulom se může přeměnit v nekrózu tkáně, jestliže vnitřní vrstva fagocytu vymírá •Kalcifikace (zvápenatění) a hyperplazie (zvětšení orgánu) jsou další možné efekty.
31
Mutagenita a karcinogeneze - nejčastěji vyhodnocovány na experimentálních zvířatech. Příkladem testu mutagenity je tzv. Ames test -Salmonella typhimurium nebo Escherichia coli, které potřebují pro svůj růst histidin. Buňky jsou umístěny do kultury bez histidinu, jenom ta látka, která umožní buňkám mutaci do stavu
nezávislého na histidinu, dovolí buňkám opět růst. Cytotoxicita - schopnost zapříčinit smrt nebo poškození na buněčné úrovni v důsledku přímého rozpadu buněk nebo změněným buněčným metabolismem Hemokompatibilita - hodnotí se krevní koagulace, vznik trombů a hemolýzy
32
Všechny nové materiály musí být testovány na biokompatibilitu. Testy se provádějí in-vitro a in-vivo.
33
Testy na zvířatech - velmi diskutabilní téma zejména u savců. Musí být prováděny? – jiná varianta
Stručný výčet testů a jejich základní charakterizace: • Akutní toxicita se zjišťuje orálním nebo dermálním testem LD 50 (střední smrtelná dávka - Median Lethal Dose) NaCl. LD50 3 g/kg. (rat, oral). 12357 mg/kg. (human, oral). • Genotoxicita - testována změnami v DNA, chromozómové struktuře nebo v genovém poškození, které vyúsťuje
v trvalou dědičnou změnu funkce buňky. • Testy karcinogenity • Test akutní dermální dráždivosti • Teratogenita - chemická látka aplikuje březím samicím 34
Klinické testy (klinické studie) Jedná se především o stanovení efektivity nového přípravku, případně posouzení kombinace již standardně užívaných přípravků, zjištění nežádoucích účinků, tolerance, délky života bez známek recidivy (disease free survival), celkové doby přežití (overall survival), kompletní + parciální odpovědi (overall response rate). Klinické pokusy jsou rozděleny do tří fází: Fáze I – biomateriál je testován na malé skupině lidí (asi 60-80 lidí), Fáze II – testy probíhají na větší skupině (asi 100-300 lidí), Fáze III – probíhá srovnání v efektivnosti nové léčby se standardní metodou (asi 1000-3000 lidí).
35
Domácí úkol: Vyberte si jeden biokompatibilní polymer a definujte jej.
Proč se používají na zdravotnické materiály tzv. biovrstvy? Co je LD50?
Děkuji vám za pozornost 37
