Prof. Paweł Chmielarz (PRz): Nasze nośniki leków są bezpieczne dla zdrowia pacjentów [WIDEO]

Jakie badania prowadzi pan profesor na Politechnice Rzeszowskiej?

Od kilkunastu lat rozwijamy tematykę kontrolowanej polimeryzacji rodnikowej. W największym skrócie polega ona na tym, że do mieszaniny monomeru, inicjatora i rozpuszczalnika wprowadzamy kompleks katalityczny, który umożliwia zachowanie kontroli nad polimeryzacją, co oznacza, iż jesteśmy w stanie kontrolować długość powstających łańcuchów polimerowych. W dowolnym momencie możemy zatrzymać wspomniany proces, wprowadzać inne substraty, a tym samym dowolnie projektować łańcuchy, układać ich poszczególne elementy jak klocki, wpływając w ten sposób na końcowe właściwości powstającego produktu.

Wspomniana technika opracowana została przez prof. Krzysztofa Matyjaszewskiego z Carnegie Mellon Univeristy w Pittsburghu. W tym miejscu warto wspomnieć, iż w 2007 r. przedstawiono koncepcję, która zakładała stosowanie obniżonego stężenia katalizatora z wykorzystaniem różnych czynników zewnętrznych, takich jak chociażby prąd elektryczny. W tym kontekście jesteśmy w stanie precyzyjnie kontrolować stężenie kompleksu na danym etapie reakcji, a po jej zakończeniu wyodrębnić go z produktu końcowego. Jest to szczególnie ważne, jeżeli myślimy o potencjalnym zastosowaniu biomedycznym, gdzie czystość stosowanych materiałów jest zagadnieniem kluczowym.

Od lat pracujemy nad zmniejszaniem stężenia katalizatorów różnymi sposobami, od zastosowania światła słonecznego po ultradźwięki, prąd elektryczny, po dodanie kwasu askorbinowego. Koncepcja ta służy uzyskiwaniu różnorodnych materiałów polimerowych o precyzyjnie zdefiniowanej architekturze. Lata pracy doprowadziły nas do opracowania koncepcji ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization = polimeryzacja rodnikowa z przeniesieniem atomu) bez użycia kompleksu katalitycznego (metal-free) z wykorzystaniem witamin jako fotokatalizatorów pochodzenia naturalnego, na co zdobyliśmy projekt m. in. z Narodowego Centrum Nauki (NCN).

Moja grupa badawcza zajmuje się obecnie szeroko pojętą chemią polimerów, optymalizacją metod polimeryzacji, po to, aby uzyskiwać specjalistyczne materiały polimerowe. Tworząc od podstaw prężnie działającą grupę badawczą, w skład której wchodzą studenci, absolwenci i młodzi naukowcy z mojej Alma Mater, krok po kroku realizowałem swoje oryginalne pomysły. Obecnie kieruję w macierzystej uczelni Katedrą Chemii Fizycznej oraz działającą w jej strukturach młodą grupą badawczą (Chmielarz Research Group – CRG), w skład której wchodzą trzy osoba ze stopniem naukowym doktora, trzy doktorantki, dwóch wizytujących naukowców oraz trzydziestu jeden studentów (w tym dyplomantów). W pięciu podgrupach koordynowanych przez członków mojej grupy badawczej studenci nabywają praktyczne umiejętności pracy w laboratorium, poznają najnowsze techniki badań otrzymanych materiałów polimerowych oraz aktywnie projektują i przeprowadzają procesy chemiczne zgodnie z najnowszymi trendami, realizując przy tym założenia „zielonej chemii”.

Spośród licznych aktywności naukowych i organizacyjnych możliwych do zrealizowania w ramach działalności członkowie CRG sami wybierają formy zaangażowania, jakie ich interesują (m.in. działalność promocyjna, udział w projektach badawczych, wyjazdy na staże, uczestnictwo w konferencjach). To wszystko sprawia, iż działalność naukowa członków grupy badawczej przekłada się m. in. na regularne publikowanie prac badawczych na łamach renomowanych czasopism naukowych, udział w stażach w zagranicznych jednostkach naukowych (m. in. w USA, Włoszech, Danii, Niemczech), uzyskiwaniem stypendiów (m. in. stypendium Ministra Edukacji i Nauki dla Wybitnych Młodych Naukowców) oraz pozyskiwaniem grantów na prowadzenie prac badawczych (m. in. ze środków NCN i Ministerstwa Edukacji i Nauki - MEiN).

Przykładowo, pierwsza podgrupa badawcza głównie skupia się na architekturze uzyskiwanych specjalistycznych materiałów polimerowych. Tematyka prac badawczych jest tu różnorodna, od zastosowania podczas polimeryzacji roztworu miodu, olejów roślinnych, nanocząstek krzemu, po witaminy, m. in. ryboflawinę czy kwas askorbinowy. Mamy bardzo szerokie pole manewru, jeśli chodzi o to, co chcemy zrobić z wykorzystaniem tego, co nas otacza. Wszystko zależy od nas i naszych pomysłów.

Pana zespoły dużo pracują nad nośnikami leków. Na czym to polega?

Jesteśmy blisko zastosowania wyników naszych prac w farmacji. Niedawno otrzymaliśmy nowy projekt z Narodowego Centrum Badan i Rozwoju (NCBiR) na przygotowanie matryc leków o opóźnionym uwalnianiu substancji czynnej w zależności od zmiany odczynu środowiska w organizmie ludzkim. Projekt będziemy realizować z jedną z firm farmaceutycznych z naszego regionu.

Polimeryzacja jest chyba pierwszym etapem w produkcji leków?

Zajmujemy się badaniami podstawowymi, tzn. od koncepcji po przygotowanie produktu w skali laboratoryjnej, poprzez wstępne przeskalowanie z gramów na kilogramy produktu docelowego. Na chwilę obecną realizujemy kilka projektów. Jeden z nich dotyczy przygotowania leków na różne choroby, m. in. Alzheimera i Parkinsona. Obecnie nasz produkt jest testowany na Uniwersytecie Rzeszowskim. Inny z projektów dotyczy syntezy polimerów gwiaździstych w oparciu o składniki pochodzące ze środowiska naturalnego, przyjazne człowiekowi i niepowodujące odczynów zapalanych, jak chociażby cukier. W tym przypadku stosujemy sacharozę, która posiada określoną liczbę grup funkcyjnych, które jesteśmy w stanie zmodyfikować. Polega to na dobudowywaniu łańcuchów polimerowych do struktury makroinicjatora. Wspomniane łańcuchy tak komponujemy, aby w zależności od zmiany temperatury bądź pH w organizmie człowieka mogły zmieniać swoją charakterystykę, a przez to np. uwalniać substancje aktywne. Część wyników naszych wstępnych badań już opublikowaliśmy. Natomiast kolejnym naturalnym etapem jest realizacja projektu na szerszą skalę, tzn. dostarczenie naszych produktów firmie farmaceutycznej, która sprawdzi je w skali wielkotonażowej. Na tego typu produkty jest duże zapotrzebowanie, ponieważ nasze rozwiązania umożliwiają zmniejszenie ilości stosowanych surowców, a także redukują ilość powstających przy tym produktów ubocznych. Wszystko to powoduje, iż cena naszych materiałów jest znacznie niższa od powszechnie występujących na rynku rozwiązań, przy zapewnieniu znacznie wyższej jakości.

Jaką rolę pełni nośnik w leku?

Nośnik leku jest czymś w rodzaju układu zdolnego do chwytania i uwalniania danej substancji w zależności od warunków środowiska, takich jak temperatura czy pH. Załóżmy, że rdzeniem jest sacharoza i do niej dobudowujemy "ramiona", które są przygotowane do wychwytywania rożnych substancji, np. witamin. Tak jest skonstruowana otoczka leku. Jeśli w organizmie panuje odczyn zapalny lub podwyższona temperatura, po połknięciu leku wspomniana otoczka, czyli nasze łańcuchy polimerowe, rozkurczają się i uwalniają substancję czynną. A ponieważ nasz łańcuch jest skonstruowany w oparciu o cukier, to człowiek jest w stanie pozbyć się nośnika bez negatywnej konsekwencji dla swojego zdrowia. Ewentualne skutki uboczne leków wynikają właśnie z budowy nośników. Nasze nośniki są bezpieczne dla zdrowia pacjentów.

Mówimy o lekach innowacyjnych?

Nasze propozycje nośników leków nie były do tej pory opisane w literaturze międzynarodowej ani produkowane, w związku z tym – tak, są to rozwiązania innowacyjne.

Te procedury trwają wiele lat?

Nasz pomysł opublikowaliśmy blisko dwa lata temu po kilku latach prac laboratoryjnych. Doszliśmy do wniosku, że zaproponowane przez nas rozwiązanie jest doskonałym kandydatem do zastosowania go w branży farmaceutycznej. Natomiast finalny produkt przed wdrożeniem wymaga jeszcze certyfikacji. Wdrożenie go do użytku niewątpliwie potrwa kilka lat. Natomiast jeśli chodzi o specjalistyczne leki, jak np. na chorobę Alzhaimera, procedura jest o wiele dłuższa. Na razie nie mogę zdradzić, nad jakim lekiem pracujemy i z jaką firmą współpracujemy.

Czy jest nadzieja na skuteczne leczenie Alzheimera?

Starsze leki były produkowane w oparciu o długą i skomplikowaną procedurę, w związku z tym koszty tych związków były wysokie, a wydajność samej syntezy niska. Natomiast pierwsze testy w skali laboratoryjnej naszego produktu dają już znacznie lepsze wyniki. Nasze rozwiązanie nie zostało jeszcze opatentowane, w związku z tym na tym etapie nie mogę zdradzić więcej informacji. Mogę natomiast powiedzieć, że opatentowaliśmy już inny produkt opracowany w ramach projektu realizowanego ze środków MEiN. W tym przypadku przygotowywaliśmy polimery gwiaździste w oparciu o strukturę kwasu taninowego, występującego m. in. w herbacie. Możliwe, że to rozwiązanie znajdzie zastosowanie w przemyśle. W sumie mój zespół badawczy ma już opublikowanych blisko 90 prac naukowych, rozdziały w zagranicznych wydawnictwach naukowych oraz patenty i zgłoszenia patentowe, m. in. w US Patent Office.

Warto wymienić kilka przykładów praktycznych zastosowań naszych produktów, które doskonale obrazują zakres tematyczny prac badawczych, które są przedmiotem naszych zainteresowań. Jednym z takich przykładów jest możliwość modyfikowania antybiotyków w kontekście przyłączania łańcuchów polimerowych, które będą pełnić określone funkcje, jednocześnie nie zakłócając działania samego antybiotyku. Inny przykład to modyfikacja szkła. Można sobie wyobrazić powłoki polimerowe na szybach wieżowca, które w zależności od temperatury, gdy szyba się nagrzeje, nie będą wpuszczały promieni słonecznych, gdyż zrobią się matowe, ciemne. Natomiast gdy spadnie temperatura, szyby będą przepuszczać promienie słoneczne do środka. W ten sposób wspomagamy pasywne budownictwo, które nie wymaga nakładów energetycznych. Pracujemy też nad materiałami włókienniczymi.

Przygotowujemy powłoki, dzięki którym będą one spełniały funkcję inteligentnych materiałów, gdyż będą się charakteryzowały zwiększoną hydrofobowością i przeciwbakteryjnością. Modyfikujemy również powierzchnie drewna. Pracujemy z egzotycznymi gatunkami drewna stosowanymi chociażby przy budowie jachtów.

Czy wiesz, że...?

Prof. dr hab. inż. Paweł Chmielarz pochodzi z Przeworska, jest kierownikiem Katedry Chemii Fizycznej na Wydziale Chemicznym Politechniki Rzeszowskiej. Na początku 2022 roku otrzymał tytuł profesora; jest najmłodszym profesorem w naukach inżynieryjno-technicznych w Polsce. W 2013 roku ukończył międzynarodowe studia doktoranckie, doktorem habilitowanym został już 3 lata później. Nominację profesorską uzyskał w wieku zaledwie 36 lat. Dorobek naukowy profesora obejmuje 88 publikacji w czasopismach z prestiżowej tzw. Listy Filadelfijskiej. Profesor jest także na prestiżowej liście 2 procent najczęściej cytowanych uczonych i naukowców świata, zamieszczanej w PLOS Biology. Współpracuje z kilkunastoma jednostkami naukowymi na świecie (m. in. Carnegie Mellon University w Pittsburghu, University of Padova, University of Konstanz, University of Milan, Aarhus University, University of Castilla-La Mancha, Technical University of Crete, University of Trieste, University of Malta, University of Palermo, University of São Paulo, University of Genoa, University of Cagliari, Technical University of Valencia, University of Bari Aldo Moro) oraz z krajowymi, głównie Politechniką Krakowską i Uniwersytetem Jagiellońskim.

Na Wydziale Chemicznym PRz prowadzi 5 grup badawczych. Pracują w nich osoby także z innych jednostek krajowych i zagranicznych. Studenci, którzy współpracują z prof. Chmielarzem, otrzymuję wiele stypendiów. W 2019 na Wydziale Chemicznym prof. Chmielarz założył Koło Naukowe Inżynierii Chemicznej i Farmaceutycznej, zrzesza ono ponad sto osób. Studenci pracują w nim w grupach pod kierunkiem koordynatorów. Niektórzy studenci angażują się już w poszczególne projekty badawcze profesora. Mogą też zapisywać się do szerokiej grupy projektowej złożonej z blisko 40 osób, pracowników, doktorantów, koordynatorów i studentów. Członkowie tej grupy spotykają się na cotygodniowych seminariach, wyjeżdżają na zagraniczne konferencje i staże naukowe.