Prof. dr hab. inż. Iwona Skoczko
Ultra Czysta Woda (Ultra Pure Water) w Specjalnych Oddziałach Szpitalnych. Cz.3 Transplantologia i Terapie Wspomagana UCW
W kontekście przyszłości medycyny i transplantologii ultra czysta woda (UCW) może znaleźć zastosowanie znacznie wykraczające poza swoje obecne funkcje. Dzięki swoim właściwościom, w tym eliminacji wszelkich zanieczyszczeń chemicznych, biologicznych i mechanicznych, UCW otwiera drogę do przełomowych terapii regeneracyjnych oraz rozwoju bioinżynierii organów. W tej części analizujemy potencjalne zastosowania UCW w nowych obszarach medycyny.
1. UCW w hodowli organów i tkanek in vitro
Współczesne badania nad bioinżynierią narządów wskazują na możliwość hodowli tkanek i organów z wykorzystaniem zaawansowanych technik bioprintingu 3D. Proces ten wymaga idealnie sterylnego środowiska, w którym czystość wody jest kluczowa. UCW może być używana jako medium do rozcieńczania odczynników, oczyszczania bioreaktorów oraz utrzymania żywotności hodowanych komórek.UCW pełni tu fundamentalną rolę, zapewniając:
- Sterylne podłoże dla hodowli komórek – Woda ultra czysta używana jest do przygotowywania pożywek komórkowych oraz sterylizacji bioreaktorów. Woda o niższej czystości mogłaby zawierać endotoksyny lub chemikalia zakłócające wzrost i różnicowanie komórek (Bommer et al., 2014).
- Przygotowanie bioinków i hydrożeli– bioinki, czyli „atramenty” zawierające komórki, biomateriały i czynniki wzrostu, muszą być przygotowywane w środowisku wolnym od zanieczyszczeń, które mogłyby zakłócić wzrost i różnicowanie komórek. UCW zapewnia czystość materiałów wykorzystywanych w hydrożelach, które służą jako matryce wspierające rozwój tkanki (Buchholz et al., 2015).
- Hodowla tkanek w bioreaktorach – Bioreaktory używane do wspierania wzrostu tkanek wymagają sterylnego środowiska, aby uniknąć infekcji bakteryjnych lub grzybiczych. UCW jest wykorzystywana do mycia i dezynfekcji tych urządzeń oraz do przygotowywania sterylnych roztworów podtrzymujących hodowlę komórek (Luehmann et al., 2013).
- Eliminację zanieczyszczeń w procesach bioprintingu – Narządy drukowane w technologii 3D wymagają precyzyjnego stosowania hydrożeli i biokompatybilnych materiałów, w których nawet śladowe zanieczyszczenia mogą negatywnie wpłynąć na ich strukturę (Gusbeth-Tatomir et al., 2010).
Drukowane narządy, stworzone z komórek pacjenta, mogą w przyszłości zastąpić przeszczepy od dawców., ryzyko odrzutu i infekcji jest minimalizowane. Przykłady potencjalnych zastosowań obejmują drukowanie miniaturowych nerek, serc czy tkanki wątroby. W przyszłości oddziały transplantacyjne mogą korzystać z narządów hodowanych in vitro. Dzięki zastosowaniu UCW w każdym etapie ich produkcji eliminować będziemy problemy związane z niedoborem organów do przeszczepów oraz ryzykiem odrzutu dzięki zastosowaniu tkanek z komórek pacjenta (Evans et al., 2012). Pozwoli to na:
- Zminimalizowanie ryzyka odrzutu przeszczepu – Organy hodowane z własnych komórek pacjenta będą biologicznie kompatybilne, a UCW zapewni środowisko wolne od zanieczyszczeń, które mogłyby zakłócić ich rozwój.
- Redukcję zapotrzebowania na dawców – Możliwość produkcji narządów in vitro mogłaby zaspokoić globalny niedobór organów do transplantacji.
2. UCW w terapiach komórkowych i genowych
Terapie komórkowe, takie jak podawanie zmodyfikowanych limfocytów T (CAR-T), przeszczepy szpiku kostnego oraz terapie genowe (np. modyfikacje genetyczne komórek) wymagają ścisłej sterylności i precyzyjnych procesów oczyszczania. UCW znajduje zastosowanie w każdym etapie takich terapii:
- Transport i przechowywanie komórek – UCW może być wykorzystywana do przygotowania roztworów transportowych i przechowalniczych dla komórek macierzystych oraz zmodyfikowanych komórek, takich jak CAR-T (Luehmann et al., 2013).
- Produkcja wektorów wirusowych – Terapie genowe, takie jak CRISPR/Cas9, wykorzystują wektory wirusowe do dostarczania zmodyfikowanego materiału genetycznego do komórek. Ultra czysta woda jest niezbędna do ich oczyszczania i produkcji w środowisku wolnym od zanieczyszczeń biologicznych (Karkar et al., 2014).
Zastosowanie UCW w tych terapiach pozwala na rozwój metod leczenia dotychczas nieuleczalnych chorób, takich jak mukowiscydoza czy nowotwory genetyczne. W kontekście transplantologii UCW mogłaby wspierać:
- Hodowlę komórek macierzystych – Komórki macierzyste, stosowane w terapiach regeneracyjnych i przeszczepach szpiku, muszą być przechowywane w optymalnych warunkach. UCW służy jako baza do przygotowywania pożywek wzrostowych, które są wolne od endotoksyn i innych zanieczyszczeń chemicznych (Evans et al., 2012).
- Transplantację komórek macierzystych – Wysokiej jakości środowisko wodne jest niezbędne do przeszczepów szpiku kostnego czy terapii regeneracyjnych, w których wykorzystuje się komórki macierzyste. Dzięki UCW można tworzyć bezpieczne i efektywne procedury, takie jak terapia CAR-T czy leczenie chorób genetycznych.
3. UCW w rozwoju technologii ex vivo
W transplantologii rośnie znaczenie technologii perfuzji ex vivo, która pozwala na podtrzymywanie narządów w warunkach laboratoryjnych przed przeszczepieniem. W takich systemach UCW jest kluczowym składnikiem perfuzyjnych płynów konserwacyjnych, które utrzymują funkcję narządu, zapobiegają uszkodzeniom ischemicznym i eliminują toksyny (Canaud et al., 2016).
Korzyści UCW w perfuzji ex vivo obejmują:
- Redukcję ryzyka zakażeń w narządach przechowywanych przed transplantacją.
- Ochronę narządów przed uszkodzeniem ischemicznym – UCW, stosowana jako składnik płynów perfuzyjnych, zapewnia optymalne warunki biochemiczne, które zmniejszają ryzyko uszkodzeń wywołanych niedokrwieniem (Canaud et al., 2016).
- Regeneracja narządów przed transplantacją – Systemy perfuzyjne mogą być używane nie tylko do przechowywania, ale także do regeneracji uszkodzonych narządów. UCW eliminuje ryzyko zakażeń w takich procedurach, zwiększając szanse na sukces transplantacji.
- Optymalizację funkcji narządu po przeszczepie dzięki ograniczeniu kontaktu z potencjalnie toksycznymi substancjami zawartymi w wodzie o niższej jakości.
4. Zastosowanie UCW w terapiach regeneracyjnych
Nowe obszary medycyny regeneracyjnej, takie jak stymulacja procesów regeneracji uszkodzonych tkanek za pomocą komórek macierzystych lub biomateriałów, wymagają sterylnych warunków w całym procesie. Dzięki swojej czystości jest idealnym medium do hodowli biomateriałów, hydrożeli oraz matryc wspierających regenerację tkanek. Wykorzystuje się ją do:
- Oczyszczania implikowanych materiałów biologicznych.
- Przygotowania sterylnych implantów tkankowych – Hydrożele i inne biomateriały, przygotowywane z użyciem UCW, mogą wspierać regenerację uszkodzonej skóry, mięśni czy kości, zapewniając biokompatybilność i sterylność (Buchholz et al., 2015).
- Terapie immunomodulacyjne – UCW może wspierać rozwój terapii immunomodulacyjnych, które pomagają w regulacji odpowiedzi immunologicznej, na przykład po przeszczepach.
5. Nanotechnologia medyczna wspierana UCW
Nanotechnologia otwiera nowe możliwości w diagnostyce i leczeniu, pozwalając na precyzyjne dostarczanie leków i monitorowanie procesów chorobowych na poziomie molekularnym.
- Synteza nanocząstek – Nanocząstki, takie jak liposomy, nanorurki węglowe czy nośniki białkowe, są coraz częściej stosowane w leczeniu raka, chorób autoimmunologicznych czy cukrzycy. UCW eliminuje ryzyko zanieczyszczeń, które mogłyby wpłynąć na strukturę i funkcję tych nośników (Buchmann et al., 2019).
- Terapie nanotechnologiczne; UCW może być stosowana jako nośnik leków, które są dostarczane do określonych tkanek za pomocą nanocząstek. Dzięki temu minimalizuje się skutki uboczne leków, takich jak chemioterapia, jednocześnie zwiększając ich skuteczność (Luehmann et al., 2013).
6. Szersze perspektywy: UCW jako nośnik nowych terapii
UCW ma potencjał stać się podstawą dla rozwoju nowych metod leczenia, takich jak nanosystemy dostarczania leków. Dzięki swojej czystości woda może być wykorzystana jako medium transportowe dla nanocząstek, które docelowo dostarczają leki przeciwnowotworowe lub immunosupresyjne bezpośrednio do określonych tkanek (Buchholz et al., 2015).
Literatura
- ANSI/AAMI RD52: 2004, Dialysis Water Quality Requirements.
- Bommer, J., et al. (2014), „Water Treatment for Hemodialysis: Equipment and Monitoring”, Seminars in Dialysis.
- Buchholz, B., et al. (2015), „Ultrapure Water in Modern Healthcare: Uses and Requirements”, Journal of Hospital Infection.
- Buchmann, J., et al. (2019), „Nanotechnology in Medical Applications: Role of Ultrapure Water”, Advanced Healthcare Materials.
- Canaud, B., et al. (2016), „Water Quality in Hemodialysis: Emerging Issues”, Clinical Journal of the American Society of Nephrology.
- Evans, R. W., et al. (2012), „Endotoxin Contamination in Dialysis Water: Impact on Health”, Nephrology Dialysis Transplantation.
- Evoqua Water Technologies (2020), Water Treatment for Hospitals and Healthcare Facilities.
- Fresenius Medical Care (2020), Ultrapure Water Standards for Dialysis Applications.
- Gusbeth-Tatomir, P., et al. (2010), „Impact of Water Quality in Hemodialysis on Patient Outcomes”, Nephrology Dialysis Transplantation.
- Hoenich, N., et al. (2010), „Water Quality and its Clinical Implications”, Blood Purification.
- Karkar, A., et al. (2014), „Dialysis Water Quality: A Case of Relevance and Responsibility”, Saudi Journal of Kidney Diseases and Transplantation.
- Luehmann, D., et al. (2013), „The Critical Role of Water in Dialysis”, International Journal of Nephrology and Renovascular Disease.
- Moran, J. (2015), „Ultra Pure Water and Hemodialysis: Technologies and Standards”, Journal of Renal Care.
- Twardowski, Z. J. (2018), „Role of Water Purity in Regenerative Medicine”, Journal of Clinical Medicine.
- World Health Organization (WHO), Guidelines for Drinking-water Quality, 4th Edition.