Oxygen-nanobubble biotechnology to enhance physiologic wound healing and tissue regeneration in vivo
Authors: Ντεντάκης Δημήτριος 
Published: October 2024

Κατά τη φυσιολογία, ο μηχανισμός επούλωσης τραυμάτων λειτουργεί ως ένα καλά ενορχηστρωμένο και συνεχές μονοπάτι κυτταρικών αντιδράσεων, το οποίο διαρθρώνεται σε 4 στάδια: 1) αιμόσταση, 2) οξεία φλεγμονή, 3) ιστικός πολλαπλασιασμός και 4) ιστική αναδιαμόρφωση. Μάλιστα, υπάρχουν επιστημονικά δεδομένα τα οποία υποδεικνύουν ότι, διαταραχές στις βιολογικές οδούς που εξελίσσονται στα πιο πρώιμα στάδια αυτού του συνεχούς μονοπατιού της φυσιολογικής επούλωσης, αποτελούν ισχυρούς προγνωστικούς παράγοντες για κλινική επιδείνωση σε επιπλεγμένη επούλωση και χρόνια τραύματα. Ταυτόχρονα, το κλινικό και επιδημιολογικό ενδιαφέρον με επίκεντρο την επούλωση τραυμάτων εκτοξεύεται παγκοσμίως, λόγω του συνδυασμού των ακόλουθων παραγόντων: της αυξανόμενης επίπτωσης συστηματικών αγγειοπαθειών που προδιαθέτουν σε περιφερική ισχαιμία, ιστική υποξία και προβληματική επούλωση, όπως ο σακχαρώδης διαβήτης, της γήρανσης του παγκόσμιου πληθυσμού και της αμφίβολης ικανότητας των διαθέσιμων θεραπευτικών επιλογών να αντιμετωπίσουν μια ολοένα και πιθανότερη, γενικευμένη έξαρση των επιλεγμένων τραυμάτων. Η χορήγηση οξυγόνου σε αέρια μορφή (O2), έχει αποδειχθεί συστηματικά ότι οδηγεί σε ευεργετικά αποτελέσματα σε δερματικά τραύματα, αντικατοπτρίζοντας τον κεντρικό ρόλο του O2 στη φυσιολογική επούλωση. Το πλέον χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η θεραπεία με υπερβαρικό O2, η οποία έχει καθιερωθεί μεταξύ των αποτελεσματικότερων στρατηγικών αντιμετώπισης για τα διαβητικά τραύματα, καθώς επίσης και σε πολλές άλλες κλινικές ενδείξεις. Ωστόσο, ένας σημαντικός περιορισμός έγκειται στη βραχύβια αποτελεσματικότητα του O2 όταν χορηγείται σε αέρια μορφή, ως αποτέλεσμα της παθητικής διάχυσης διαμέσου των βιολογικών ιστών σε συνάρτηση με τις κατά τόπους βαθμιδώσεις στη μερική πίεση του O2. Στο πλαίσιο αυτό, νεότερες τεχνολογίες με τη δυνατότητα να παρέχουν διαλυμένο οξυγόνο (Dissolved O2, DO) μέσα σε υδατικά διαλύματα, γνωστά ως διαλύματα διαλυμένου οξυγόνου (Dissolved O2 solutions, DOS), διερευνώνται ως μια καινοτόμος τεχνολογική προσέγγιση για τη βελτιστοποίηση των θεραπειών οξυγόνωσης των τραυμάτων. Πράγματι, επιτρέποντας στο O2 να καθίσταται σταδιακά βιοδιαθέσιμο μέσα στο υδάτινο μέσο, ένα διάλυμα DOS μπορεί, θεωρητικά, να παρέχει υψηλές ποσότητες οξυγόνου για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε σύγκριση με τις θεραπείες που χορηγούν O2 στην αέρια φάση. Ωστόσο, η μακρόχρονη διατήρηση υψηλών επιπέδων DO χωρίς τη χρήση δυνητικά τοξικών επιφανειοδραστικών παραγόντων και πολύπλοκων χημικών ενώσεων, παραμένει μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στο συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο.Η έρευνα που εκπονείται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετά τη δυνατότητα παραγωγής ενός διαλύματος DOS αξιοποιώντας αποκλειστικά τις αρχές της Φυσικής που διέπουν την αλληλεπίδραση μεταξύ υγρών και αερίων, χωρίς τη χρήση χημικών επιφανειοδραστικών παραγόντων ή άλλων προσθέτων, καθώς και την αξιοποίηση της τεχνολογίας αιχμής των νανοφυσαλίδων O2 σε βιοϊατρικές εφαρμογές για την επούλωση τραυμάτων και την αναγέννηση δερματικού ιστού. Αρχικά, διεξάγουμε μια ενδελεχή ανάλυση των διαθέσιμων τεχνολογιών με τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν για παροχή DO σε ιστούς που επουλώνονται, στοχεύοντας στην ανάδειξη της πλέον υποσχόμενης τεχνολογικής κατηγορίας προς περαιτέρω διερεύνηση. Μέσω συστηματικής συναξιολόγησης του μηχανικού υπόβαθρου, του δυναμικού οξυγόνωσης, των μηχανισμών παροχής DO στου ιστούς, των παραμέτρων ασφαλείας και της αποτελεσματικότητας ως προς την αναγέννηση δερματικού ιστού για όλες τις τεχνολογίες, αναδεικνύουμε τα συγκριτικά πλεονεκτήματα της χρήσης διαλυμάτων DOS που παρασκευάζονται χωρίς χημικά πρόσθετα, και υπογραμμίζουμε τις δυνατότητες της τεχνολογίας νανοφυσαλίδων O2 στη συγκεκριμένη τεχνολογική κατηγορία. Παράλληλα, εισάγουμε ένα πρωτότυπο σύστημα ταξινόμησης για τις τεχνολογίες DO που μελετώνται σε εφαρμογές σχετικές με την επούλωση τραυμάτων.Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε τον ερευνητικό σχεδιασμό, την επιστημονική τεκμηρίωση και την πρακτική εφαρμογή ενός νέου in vivo πρωτοκόλλου, που αποσκοπεί στην επιτάχυνση της ανάπτυξης νέων βιοτεχνολογιών στον τομέα της επούλωσης τραυμάτων, όπως οι τεχνολογίες παροχής DO, και της ενσωμάτωσής τους στην κλινική πράξη. Προσομοιάζοντας το σχεδιασμό κλινικών δοκιμών αρχικού σταδίου, και ενσωματώνοντας εγκεκριμένες μεθοδολογίες από προηγούμενα πρωτόκολλα, το προτεινόμενο πρωτόκολλο παρέχει ένα λεπτομερή οδηγό για την ολιστική αξιολόγηση των βασικών αρχών μηχανικής, των απαιτούμενων ελέγχων ποιότητας, της βιολογικής ασφάλειας και της θεραπευτικής αποτελεσματικότητας στην επούλωση τραυμάτων για όλες τις νέες βιοτεχνολογίες που αναπτύσσονται στο συγκεκριμένο τομέα. Σημειώνεται ότι, οι πειραματικοί χειρισμοί στο προτεινόμενο πρωτόκολλο έχουν επιλεγεί με γνώμονα την απλότητα και τη βέλτιστη επαναληψιμότητα, λαμβάνοντας υπόψιν και το γεγονός ότι, στην εποχή μας, ολοένα και αυξάνονται τα ερευνητικά έργα στο συγκεκριμένο πεδίο τα οποία εκτελούνται στο μεγαλύτερο ποσοστό τους από βιοχημικούς και βιοϊατρικούς μηχανικούς. Στη συνέχεια, εφαρμόζουμε το προαναφερόμενο in vivo πρωτόκολλο για να μελετήσουμε ένα «απλό» διάλυμα DOS (plain DOS), το οποίο δεν περιέχει κανένα παράγοντα ικανό να ενισχύσει τα επίπεδα DO ούτε με χημικά πρόσθετα, αλλά ούτε και με φυσικό τρόπο. Το διάλυμα αυτό παρασκευάζεται μέσω έγχυσης O2 υψηλής καθαρότητας (>99,9%) σε αποστειρωμένο διάλυμα φυσιολογικού ορού (0.9% NaCl), υπό προκαθορισμένες συνθήκες. Στόχος μας είναι η συλλογή προκαταρκτικών in vivo δεδομένων σχετικά με τη χορήγηση ενός διαλύματος DOS με τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους και του χρόνου παραμονής των επιπέδων DO στο προκύπτον διάλυμα, των βέλτιστων οδών χορήγησης, των παραμέτρων δοσολογίας, της βιολογικής ασφάλειας και της αποτελεσματικότητας σε τραύματα πλήρους εκτομής σε υγιή ποντίκια SKH1. Τα ευρήματά μας υποδεικνύουν ότι το διάλυμα plain DOS μπορεί να παρέχει υψηλές συγκεντρώσεις DO συστηματικά, για τουλάχιστον 14 ημέρες, ενώ είναι ασφαλές για in vivo χορήγηση ενδοφλεβίως, τοπικά και από το στόμα. Επίσης, τα δεδομένα μας υποστηρίζουν ότι τόσο η ενδοφλέβια, όσο και η από του στόματος χορήγηση του διαλύματος plain DOS έχει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα ως προς την ενίσχυση της φυσιολογικής επούλωσης, μακροσκοπικά και ιστοπαθολογικά. Τέλος, εφαρμόζουμε το προτεινόμενο in vivo πρωτόκολλο για να αξιολογήσουμε ένα διάλυμα DOS που παρασκευάστηκε αξιοποιώντας την τεχνολογία αιχμής των νανοφυσαλίδων O2, αποφεύγοντας ταυτόχρονα τη χρήση εξωγενών χημικών ουσιών, το οποίο αναφέρουμε ως “διάλυμα εμπλουτισμένο με νανοφυσαλίδες O2” (O2 nanobubble-enriched water, ONBW). Τα ευρήματά μας αποδεικνύουν ότι το διάλυμα ONBW διατηρεί υψηλές συγκεντρώσεις DO καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου αξιολόγησης των 14 ημερών, ενώ είναι απόλυτα ασφαλές για συστηματική χορήγηση in vivo, είτε ενδοφλεβίως είτε από το στόμα. Επιπλέον, μελετώντας τραύματα πλήρους δερματικής εκτομής σε υγιή ποντίκια SKH1, επεκτείνουμε τις παρατηρήσεις μας δείχνοντας ότι, ανεξάρτητη χορήγηση με δύο ενδοφλέβιες ενέσεις ή με από του στόματος λήψη του διαλύματος ONBW, μπορεί να επιταχύνει τη μακροσκοπική σύγκλειση των τραυμάτων και να βελτιώσει την επιθηλιακή αναγέννηση και την εναπόθεση κολλαγόνου ιστοπαθολογικά.