Rozmowa z dr. inż. Romanem Szafranem
Zaskoczenie?
Kompletne.
Na Tajwanie nigdy nie byłem, nawet nie wiedziałem, że mój wynalazek
jest zgłoszony. Dotąd najpoważniejszą tego typu nagrodą było wyróżnienie
od rektora w konkursie wynalazczym Politechniki Wrocławskiej, a tu
nagle przychodzi mail, że mam brązowy medal na wystawie, gdzie swoje
pomysły zgłaszają silne zespoły z renomowanych uczelni z całego świata.
To tylko prestiż i aż prestiż. Jasne, że się cieszę, choć szczerze
mówiąc bardziej przydałby się kolejny grant na badania, bo obecny kończy
mi się w przyszłym roku. A właśnie dzięki niemu powstała nagrodzona
praca.
Przezroczysta płytka, która wygląda raczej jak
nowoczesna biżuteria niż zaawansowana technologia. Te splątane
miniaturowe linie to…
…sieć naczyń krwionośnych człowieka,
tętniczki, kapilary, żyłki. Fascynujący, precyzyjny układ, przez który
przepływa krew lub inne płyny komórkowe. Chcieliśmy odtworzyć ten
system, żeby móc symulować przepływy w ludzkim ciele, a dokładniej - w
guzie nowotworowym. Naczynia krwionośne nowotworów są inne niż zdrowe
naczynia: o bardziej zróżnicowanych rozmiarach i kształtach, o
nietypowych rozgałęzieniach. W dodatku to struktura bardzo dynamiczna,
gdzie naczynia stale tworzą się i zanikają, dość chaotycznie, tworząc
nieprawidłowe połączenia. Słowem, wiele tam się dzieje i temu chcemy się
przyjrzeć, żeby lepiej zrozumieć mechanizmy powstawania nowotworu.
Płytka,
którą pani trzyma, powstała na podstawie mikroskopowego zdjęcia
nowotworu trzustki, które zaczerpnęliśmy z literatury medycznej. Ta
płytka to jakby sztuczny guz. Dzięki niej można obserwować proces
powstawania nowych naczyń krwionośnych w guzie, czyli angiogenezę, można
też badać warunki jakie temu sprzyjają. Chodzi o to, żeby zatrzymać
powstawanie nowych naczyń w guzie, a w konsekwencji jego rozwój.
Dzięki
naszemu mikroczipowi do symulacji przepływu krwi chcemy też dowiedzieć
się, jak komórki nowotworowe wędrują do innych organów, jak się tam
zagnieżdżają. A więc jak dochodzi do przerzutów, czyli metastazy. Lepsze
zrozumienie tego mechanizmu może pomóc w terapii.
Mikroczip jest dopiero wstępnym etapem. Co dalej?
To
dopiero początek drogi. Zaczynamy prace nad mikrokapsułkami, które
można wykorzystać w leczeniu nowotworów. Chodzi nam o kapsułki, które są
w stanie zablokować przepływ w naczyniach krwionośnych w guzie. Wówczas
odcinamy dopływ tlenu i substancji odżywczych i guz obumiera. To tzw.
embolizacja, czyli zamknięcie światła naczynia krwionośnego - tętniczego
lub żylnego - w celu leczniczym.
Po raz pierwszy zastosowano ją w
latach 30. używając do zablokowania naczynia pacjenta pobranej od niego
tkanki mięśniowej i tłuszczowej. W latach 70. po raz pierwszy użyto do
tego skrzepu z krwi pacjenta. Embolizacji używano najpierw do leczenia
krwotoków wewnętrznych układu pokarmowego i moczowego, do tamowania
krwawień pourazowych. Potem znalazła zastosowanie w leczeniu nowotworów.
Żeby embolizacja była skuteczna, bardzo ważny jest kształt i rozmiar
tych mikrocząstek, jakby koreczków, które mają zaczopować naczynie. Tak,
żeby wpasowały się idealnie w docelowe miejsce. Średnica takich
kapsułek musi być precyzyjnie dopasowana. Nie może być mniejsza niż
średnica określonego naczynia krwionośnego, bo wówczas przepłynie przez
nie, zamiast zablokować. Oprócz tradycyjnej embolizacji stosuje się
również embolizację cząstkami uwalniającymi lek. Wówczas taka
mikrokapsułka jest nośnikiem leku, wymierzonego prosto w guza.
Koń trojański w wariancie mikro.
Lek
jest dostarczany bezpośrednio do guza i uwalniany przez określony długi
czas, w sposób kontrolowany. Cytostatyki, czyli leki stosowane w
terapii nowotworowej są toksyczne i mają wiele skutków ubocznych.
Przesyłając je w mikrokapsułkach wprost do guza niszczymy tylko komórki
nowotworowe bez uszkadzania innych tkanek. Tę metodę trzeba wciąż
udoskonalać, zwłaszcza, że są nowotwory, które nie poddają się
radioterapii, źle reagują na naświetlania i taki sposób leczenia jest
tam bardziej pożądany. Podobnie jak w przypadku nowotworów
trudnodostępnych, nieoperacyjnych.
Z czego tworzy się te mikrokapsułki, które podaje się wprost do guza?
Mogą
być z pianki żelatynowej z oczyszczonej żelatyny wieprzowej, ze skrobi
czy z cholesterolu, który tworzy lipidową osłonkę. Po prostu muszą być
obojętne i biodegradowalne, czyli po pewnym czasie powinny rozpadać się w
organizmie. Także zdolne do transportu dużych ilości leku, bez ryzyka
jego przypadkowego wydostania się. Również łatwe do wyprodukowania oraz
sterylizacji.
Kolejnym naszym etapem będzie przygotowanie
oprogramowania do symulacji przepływu płynów komórkowych
wykorzystującego karty graficzne do obliczeń i symulacji. To będzie
wspólna praca z kolegami z Zakładu Architektury Komputerów w Instytucie
Informatyki, Automatyki i Robotyki na Wydziale Elektroniki PWr, dr. inż.
Piotrem Patronikiem i dr. inż. Tadeuszem Tomczakiem. Mamy nadzieję, że w
jej efekcie powstanie pierwszy na świecie tego typu program do
symulacji zjawisk zachodzących w mikroczipach.
Dopiero mikroczip wraz
z oprogramowaniem pozwoli na pełną symulację tego, co dzieje się w
naszych naczyniach. Wymarzonym następnym etapem byłaby współpraca z
Uniwersytetem Medycznym w celu praktycznego wdrożenia i wykorzystania
naszego wynalazku w badaniach nad procesami zachodzącymi w nowotworach. A
najbardziej odległe marzenie to wykorzystanie w przyszłości tego, nad
czym pracujemy do opracowania bardziej skutecznych metody leczenia
nowotworów.
Zwłaszcza, że według statystyk Dolnośląskiego
Centrum Onkologii niemal 40 procent Dolnoślązaków zachoruje kiedyś na
nowotwór złośliwy. U mężczyzn nowotwory najczęściej umiejscawiają się w
płucu, jelicie grubym i gruczole krokowym, u kobiet – w piersi, płucu,
jelicie grubym.
Nowotwory to temat społecznie bardzo istotny
i między innymi dlatego zajęliśmy się nim. Badania nie powinny być
oderwane od rzeczywistości, naukowcy są po to, żeby służyć ludziom.
Jednak guzy nowotworowe to tylko jeden aspekt. Nowa metoda wytwarzania
mikrosytemów, którą opracowaliśmy ma szersze zastosowanie, m.in. w
analityce medycznej i chemicznej, mikrosyntezie chemicznej oraz w
ochronie środowiska.
Układy takie noszą wspólną nazwę Lab-on-a-Chip,
czyli laboratorium na chipie ponieważ są to urządzenia zminiaturyzowane
do rozmiaru czipa, w którym można wykonywać eksperymenty bez
normalnego laboratorium. Bez sterylnych pomieszczeń, drogich odczynników
i urządzeń. Metoda, która została nagrodzona, daje zupełnie nowe
możliwości. Nawet z nazwą oddającą możliwości układu mieliśmy mały
kłopot – ostatecznie pozostaliśmy przy urządzeniu mikronaczyniowym.
Żaden z obecnie znanych na świecie układów nie umożliwiał pełnego
odwzorowania rzeczywistej struktury naczyń krwionośnych, a co za tym
idzie prowadzenia badań i symulacji zjawisk transportu zachodzących w
guzach nowotworowych. Dotychczas znane metody nie pozwalają na oddanie
rzeczywistej zdegenerowanej struktury sieci naczyń krwionośnych, jakie
występują w guzach nowotworowych, arteriosklerozie, cukrzycy,
nadciśnieniu czy po radioterapii.
Na Tajwanie został pan nagrodzony za metodę wytwarzania mikroczipa. Na czym polega jej wyjątkowość?
Mikroczip
to jakby kanapka, która składa się z trzech warstw: od spodu zwykle
szkło, z wierzchu tworzywo sztuczne, zazwyczaj „pleksi”, a w środku
warstwa elastomeru z rysunkiem naczyń krwionośnych. Zdjęcie mikroskopowe
tkanki nowotworowej guza jest podkładem rastrowym wczytywanym do
komputera, na którym w programie graficznym rysujemy sieć naczyń.
Następnie rysunek wysyłamy do stacji grawerującej, która wypala tę
strukturę w materiale kompozytowym – folii, na którą uprzednio
nałożyliśmy cieniutkie warstwy elastomeru PDMS. Grawerowanie laserowe
jest dość nową, tanią i niepracochłonną techniką, która polega na
bezpośrednim grawerowaniu nawet bardzo skomplikowanych wzorów. Następnie
cienką warstwę PDMS z folii przenosimy na szkło po uprzednim
naświetleniu promieniami UV i łączymy obie warstwy bez użycia kleju.
Potem jeszcze raz naświetlamy i łączymy z wierzchnią warstwą pleksi.
Wygląda to dość prosto, ale jak zwykle diabeł tkwi w szczegółach.
Pracował pan solo?
Nie,
sukces opiera się na współpracy. Jestem kierownikiem pięcioosobowego
zespołu, w skład którego wchodzą jeszcze dr inż. Anna Witek-Krowiak i dr
inż. Tomasz Koźlecki z Zakładu Inżynierii Chemicznej na Wydziale
Chemicznym PWr oraz dr inż. Piotr Patronik i dr inż. Tadeusz Tomczak z
Zakładu Architektury Komputerów w Instytucie Informatyki, Automatyki i
Robotyki na Wydziale Elektroniki PWr.
Moi studenci, z których
niektórzy są już absolwentami naszej uczelni, mgr inż. Kamila Rogala,
mgr inż. Olga Kuteń, inż. Kamil Jażdżyk, inż. Wojciech Filipek, inż.
Mieszko Dyliński napisali kilka prac inżynierskich i dyplomowych
związanych z tymi badaniami. Pani Kamila Rogala obroniła pracę dyplomową
na temat badań mikroprzepływów w naczyniach włosowatych guzów
nowotworowych na szóstkę, kończąc studia z wyróżnieniem i obecnie bierze
udział w rekrutacji na międzynarodowe studia doktoranckie w Max
Delbruck Centre w Berlinie. Trzymamy za nią kciuki!
Dochodzenie do wynalazku…
…to
długa, mozolna droga. Jakieś 99 procent to ciągłe ślęczenie i stres, że
ciągle coś nie wychodzi. Sama próba połączenia elastomeru ze szkłem
zajęła nam półtora roku. Półtora roku nieustannych niepowodzeń i
wreszcie zaskoczyło. Wtedy jest radość, która rekompensuje tę nużącą
dłubaninę.
Komfort pracy w Stanach Zjednoczonych czy w Japonii jest
nieporównywalny. Tam myślenie jest bardziej pragmatyczne, nastawione na
wdrożenie, a u nas wciąż bardziej akademickie. Wielkie koncerny
finansują tam badania, laboratoria są o niebo lepiej wyposażone.
Przykładowo, ceny dobrych mikroskopów, podstawowego narzędzia badawczego
w mikroinżynierii, zaczynają się od kilkuset tysięcy złotych. My możemy
o takim tylko pomarzyć.
Trzy razy oglądam każdą przyznaną złotówkę,
zanim ją wydam, bo muszę dokonywać wyborów. Zaawansowane materiały
wykorzystywane przy wytwarzaniu mikrosystemów, np. nanorurki węglowe czy
katalizatory do mikroogniw paliwowych często przekracza kilka tysięcy
złotych za gram.
Z Narodowego Centrum Nauki dostałem 300 tys. zł,
dzięki temu mogłem zakupić m.in. stację grawerującą. Ten grant kończy
się w przyszłym roku i muszę dalej szukać pieniędzy, bo bez zewnętrznego
finansowania nie da się prowadzić zaawansowanych badań.
Ile trzeba pracować, żeby być zauważonym w świecie?
W
tym projekcie startowaliśmy dwa i pół roku temu od zera. Nie da się
tego zamknąć w osiem przepisowych godzin. To praca, która przechodzi w
pasję, pochłania całkowicie. Noce spędza się nad artykułami, granica
miedzy życiem zawodowym a prywatnym zaciera się. To męczy, ale nie da
się inaczej, jeśli chce się do czegoś dojść. Chyba jestem pracoholikiem.
Odskocznia?
Dwa tygodnie spędziłem nad Bałtykiem. Ze stertą artykułów o mikrourządzeniach pod ręką.
rozmawiała Aneta Augustyn
*Dr inż. Roman Szafran zajmuje się mikroinżynierią chemiczną, ma 38 lat
**Światowa wystawa wynalazcza International Invention Show and
Technomart TAIPEI odbyła się 26-29 września na Tajwanie. Wynalazki były
oceniane w siedmiu głównych kategoriach, wśród których były między
innymi urządzenia półprzewodnikowe, optoelektronika, przetwarzanie
sygnałów, telekomunikacja, pomiary, biochemia, biotechnlogia, medycyna,
produkty żywnościowe, chemia organiczna, nieorganiczna i polimery,
inżynieria mechaniczna, produkty codziennego użytku. Politechnika
Wrocławska prezentowała się tam po raz pierwszy. Zgłoszono dwa
wynalazki: oprócz pomysłu dr. inż. Romana Szafrana także „Sprzęgło
przeciążeniowe rozłączne mechatronicznego systemu bezpieczeństwa
maszyny” (profesor Eugeniusz Rusiński i dr inż. Marcin Kowalczyk z
Wydziału Mechanicznego) wdrożone w Kopalni Węgla Brunatnego w Turowie,
które zostało wykorzystane w największej koparce wielonaczyniowej w
Polsce. Nowe sprzęgło zabezpiecza przed przeciążeniem mechanizm koparki,
natrafiający podczas wydobycia na ciężkie głazy. Rozwiązanie nie wymaga
stosowania elementów znacznie rozbudowujących istniejące układy
napędowe, działa w pełni automatycznie i adaptuje się samoczynnie do
warunków pracy.
Oba wynalazki zostały uhonorowane brązowymi medalami.
Dodatkowo „Sposób wytwarzania urządzenia mikronaczyniowego” dr. inż.
Szafrana została nagrodzony specjalnym medalem przyznanym przez WIIPA
(World Invention Intellectual Property Associations). Więcej informacji o
wystawie w Taipei można znaleźć na stronie patent.wroc.pl.
Politechnika
Wrocławska jest liderem, jeśli chodzi o patenty. Według zestawienia
Urzędu Patentowego RP w ubiegłym roku zarejestrowała najwięcej patentów
wśród wszystkich polskich uczelni i placówek badawczych. W minionym roku
dokonała 190 zgłoszeń, a liczba uzyskanych patentów na podstawie
zgłoszeń z poprzednich lat wyniosła w 2012 roku również 190. Od kilku
lat można zaobserwować trend rosnący: 2008 do końca 2012 roku dokonano
ponad 700 zgłoszeń patentowych. Patenty udzielone dla wydziałów w latach
2008-2012 (wydziały z największą liczbą): Wydział Chemiczny - 239,
Wydział Mechaniczny - 110, Wydział Elektroniki - 50, Wydział Elektroniki
Mikrosystemów i Fotoniki - 30, Wydział Podstawowych Problemów Techniki -
21