Převratná technologie: biosenzor odhalí zánět kloubního implantátu

Výměna kyčle či kolene vrací tisíce lidí ročně do aktivního života. Někdy se však v tichosti připlíží neviditelný nepřítel – infekce. Ta může skončit opakovanými operacemi, sepsí a v nejhorším případě i amputací. Tým Eleny Tomšík z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR a kolegů ze spolupracujících institucí ale přichází s revolucí: vědci vyvíjejí inteligentní biosenzory, které poznají nebezpečí dřív, než ho pocítí sám pacient.

Klouby v lidském těle mají neocenitelnou úlohu: jsou v podstatě biologickými „panty“ a spojovacími články, bez kterých by člověk byl jen nepohyblivou hromadou masa a kostí. Zároveň jsou nejvíce namáhanými „komponenty“, které máme. Přirovnání ke stroji je více než na místě, protože každé kolečko v soustrojí musí dobře šlapat, jenže na rozdíl třeba od motoru v autě je naše tělo v pohybu 24 hodin denně, desítky let, a to v neustále se měnícím prostředí. To už je pěkná řádka zdvihů, ohybů, tlumení a dalších akcí, které klouby mají na starosti.

Dospělý člověk má více než stovku kloubů umožňujících pohyb, nejvíce zatěžované jsou ale kolenní a kyčelní. Když se opotřebí natolik, že nejsou schopné plnit svou úlohu, chirurgové pacientovi voperují high-tech náhradní díl, který však musí přežít v extrémně nepřátelském prostředí – lidském těle.

Nejčastěji operovaným kloubem v lidském těle je koleno.

Nepříjemná hádanka, která má řešení  
Po implantaci kloubní náhrady se na jejím povrchu okamžitě začne vytvářet tenká vrstva bílkovin, která je živnou půdou pro mikroby. V lidském těle se běžně vyskytuje spousta různých bakterií. Pokud ale vzniknou podmínky pro rozvoj zánětu, některé bakterie jej mohou nastartovat. Záleží případ od případu, jak moc infekce postoupí. Může mít podobu „jen“ nepříjemné bolesti a otoku, ale dojít může až k selhání implantátu či sepsi. V extrémním variantě hrozí amputace končetiny. Lékaři se vždy snaží počínající obtíže podchytit, rozklíčovat původ problému a vše vyřešit.

Nesmírně důležité je proto včas rozpoznat, že se v okolí kloubní náhrady rozvíjí infekce. Jenže to současné diagnostické metody nedokážou. Že se tělo potýká se zánětem, většinou prozradí až reakce organismu, jako jsou otoky nebo horečka. To už ale na povrchu implantátu probíhá nežádoucí bujení zánětlivých bakterií.

„Naše potenciometrické biosenzory to ovšem dokážou, rychleji a přesněji detekují ukazatele zánětu v tělních tekutinách. Poskytují tak efektivnější léčbu a přesnější určení příčiny komplikací,“ říká Elena Tomšík z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR.

Inteligentní biosenzor pracuje na principu měření elektrochemického potenciálu.

Spolu s kolegy z Fakultní nemocnice v Motole, Českého vysokého učení technického a Vysoké školy chemicko-technologické vyvinula biosenzory, vysoce citlivé na změny kyselosti prostředí (pH) v tělních tekutinách okolo implantátu. Ukázalo se totiž, že jakmile pH klesne pod hodnotu 7,4, signalizuje to se značnou přesností přítomnost infekce dříve, než se objeví viditelné klinické příznaky.

Chytré a vodivé polymery
Inteligentní detektor pooperačních komplikací by pro lékaře a zejména pacienty představoval doslova revoluci. Ten, který pochází z laboratoří Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, funguje na bázi vodivých polymerů. Polymery většinou elektrický signál nevedou, ale Elena Tomšík využívá polyanilin, který to umí. V tenké vrstvě se nanese na titanovou elektrodu a celé kouzlo spočívá v tom, že se změří elektrochemický potenciál. Pokud v okolí polymeru dojde ke změně pH, výsledkem je odezva elektrického potenciálu.

Snahy širokého spektra odborníků je tedy do budoucna vyvinout „inteligentní“ kloubní náhradu, která by v sobě měla rovnou zabudovaný chytrý biosenzor.

Pražští vědci v tomto směru postoupili o další krůček kupředu: od ledna 2026 pracuje Elena Tomšík na vývoji pokročilejších biosenzorů s vyšší přesností, menšími rozměry a širšími diagnostickými možnostmi pomocí specifických ukazatelů zánětu. S dalšími partnery tak navazuje na předchozí výsledky společného výzkumu a snaží se více přiblížit k požadavkům a potřebám moderní ortopedie.

Text: Jana Kuřátková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, s využitím tiskové zprávy AV ČR
Foto: Shutterstock, archiv ÚMCH AV ČR

 Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons. 

Přečtěte si také

• Lék na rakovinu? Boj s krizí klimatu? Ptejte se datových vědců
• S Tomášem Etrychem o polymerech, které umí chirurgům zobrazit zhoubný nádor
• V nanosvětě je zlato modré i rudé, říká Vladimíra Petráková
• Tajemství termitů: dlouhověkost a po miliony let fungující řád
• Plasty by se mohly vyrábět z oxidu uhličitého získaného z atmosféry, říká chemik
• Čeští vědci spolupracují na vývoji ekologických a levných solárních článků
• Nebezpečné látky obsažené v náplních elektronických cigaret poškozují plíce
• Nový vodíkový elektrolyzér ukládá energii z obnovitelných zdrojů
• Chemičkou jsem se chtěla stát už od čtrnácti let, říká Adéla Šimková
• Vědci vyvinuli novou kontrastní látku, která pomůže včas odhalit skryté nemoci