František Štěpánek je chemický 
inženýr. Působí jako profesor na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. V Ústavu chemického inženýrství se zabývá funkčností mikro- a nanočástic. Jeho studia začala na pražské VŠCHT, titul PhD však získal pod dvojím vedením i na Univerzitě Pierra a Marie Curie v Paříži. Po škole strávil šest let ve Velké Británii. V laboratořích firmy Unilever nejprve vyvíjel spotřební chemii zejm. v práškové formě, např. tedy prací prášky. Poté přednášel a vedl výzkumnou skupinu na londýnské Imperial College. Na jaře roku 2021 společně s rodinou strávil čtyři měsíce na Rutgers University v New Jersey s Fulbrightovým stipendiem. V Ústavu chemického a biochemického inženýrství americké univerzity s mezinárodním týmem kolegů a kolegyň zkoumal design a výrobu personalizovaných léčiv. Proč je převážná část dostupných léků ve formě tabletky? A může mít vliv na účinnost léku jeho tvar?
Rozhovor s Františkěm Štěpánkem vznikl ve spolupráci s Ladislavem Loukotou ze stránky Vědátor a je dvacátým sedmým dílem seriálu příběhů k 30. výročí Fulbrightovy komise. Videozáznamy najdete začátkem každého měsíce na našem YouTube kanále a Facebooku. Koncem týdne Vám přinášíme textovou verzi rozhovorů zde na blogu.
Existují již nějaké příklady aplikované nanotechnologie? Jaké budoucí aplikace mimo medicínu vidíte?
Řada léků využívající nanotechnologie v praxi již je. Jde totiž o již schválené účinné látky, dosud podávané v tabletkách či infuzích, u nichž se zjistilo, že je lze formulovat také do nanočásticové podoby. Díky tomu získaly například zvýšenou biodostupnost nebo zvýšenou specificitu k cílové tkání.
U těchto léků je určitá výhoda v tom, že už není třeba znovu testovat toxicitu té vlastní látky, farmakokinetiku a tak dále, a je možno se zaměřit přímo na formulaci. To je oblast, ve které jsme v naší laboratoři poměrně aktivní. Pracujeme například na tzv. nanočásticových depotních systémech, což je formulace, která už je v praxi používaná. Zde jde o to připravit nanočástice s takovou distribucí velikostí a takovou rychlostí rozpouštění, aby po jejich injekční aplikaci třeba do svalu vytvořily částice tzv. depo. To znamená shluk nanočástic, které zde vydrží třeba po dobu 30, 60, 90 dnů a pozvolna se z něj uvolňuje účinná látka kombinací velmi pomalého rozpouštění a enzymatického odštěpení té účinné látky od nosiče. To je jedna z aplikací, která je reálná už v klinické praxi.
Další takovou oblastí, která je již v současné době nasazená, je příprava nanočástic, které se dávají do formulací pro orální podání. To znamená tabletky či kapsle, kde nám jde o to zrychlit rozpouštění látek, které jsou špatně ve vodě rozpustné. Lék se tak připraví formě nanočástic, což výrazně zvýší tzv. specifický povrch, čili plochu v poměru k hmotnosti dané účinné látky. Tím lze až o několik řádů zrychlit rozpouštění, což je žádoucí u řady léčiv. V klasické podobě může být totiž podíl podané látky, která se nakonec vstřebá do organizmu, třeba jenom v pár procentech. Většina léku tak vlastně projde trávícím traktem, aniž by se vstřebala. Pokud se nám ale podaří takový lék formulovat do nanočástic, které se rozpustí, tak je možno biodostupnost zvýšit teoreticky až ke 100 procentům. I na tom pracujeme jak u nás v laboratoři, tak je aktivně vyvíjena řadou farmaceutických společností v pokročilé fázi.
Existují již nějaké příklady aplikované nanotechnologie? Jaké budoucí aplikace mimo medicínu vidíte?
Řada léků využívající nanotechnologie v praxi již je. Jde totiž o již schválené účinné látky, dosud podávané v tabletkách či infuzích, u nichž se zjistilo, že je lze formulovat také do nanočásticové podoby. Díky tomu získaly například zvýšenou biodostupnost nebo zvýšenou specificitu k cílové tkání.
U těchto léků je určitá výhoda v tom, že už není třeba znovu testovat toxicitu té vlastní látky, farmakokinetiku a tak dále, a je možno se zaměřit přímo na formulaci. To je oblast, ve které jsme v naší laboratoři poměrně aktivní. Pracujeme například na tzv. nanočásticových depotních systémech, což je formulace, která už je v praxi používaná. Zde jde o to připravit nanočástice s takovou distribucí velikostí a takovou rychlostí rozpouštění, aby po jejich injekční aplikaci třeba do svalu vytvořily částice tzv. depo. To znamená shluk nanočástic, které zde vydrží třeba po dobu 30, 60, 90 dnů a pozvolna se z něj uvolňuje účinná látka kombinací velmi pomalého rozpouštění a enzymatického odštěpení té účinné látky od nosiče. To je jedna z aplikací, která je reálná už v klinické praxi.
Další takovou oblastí, která je již v současné době nasazená, je příprava nanočástic, které se dávají do formulací pro orální podání. To znamená tabletky či kapsle, kde nám jde o to zrychlit rozpouštění látek, které jsou špatně ve vodě rozpustné. Lék se tak připraví formě nanočástic, což výrazně zvýší tzv. specifický povrch, čili plochu v poměru k hmotnosti dané účinné látky. Tím lze až o několik řádů zrychlit rozpouštění, což je žádoucí u řady léčiv. V klasické podobě může být totiž podíl podané látky, která se nakonec vstřebá do organizmu, třeba jenom v pár procentech. Většina léku tak vlastně projde trávícím traktem, aniž by se vstřebala. Pokud se nám ale podaří takový lék formulovat do nanočástic, které se rozpustí, tak je možno biodostupnost zvýšit teoreticky až ke 100 procentům. I na tom pracujeme jak u nás v laboratoři, tak je aktivně vyvíjena řadou farmaceutických společností v pokročilé fázi.
Co ale nově vyvíjené nanočástice, které nevyužívají existující léčiva? O různých experimentech užívajících nanočástice k léčbě rakoviny slyším od poloviny minulé dekády. Platí pro ně totéž?
To je druhá oblast nanočástic, kterou bych nazval více výzkumnou. Zde se často jedná i o nové účinné látky. Tady už jde o kombinaci nanočástic nejenom jako nosičů účinné látky, ale i vývoj nové účinné látky jako takové. A zde je pravda, že existuje řada projektů popsaných a rozpracovaných, které vypadají slibně – ale finálních klinických aplikací z různých důvodů už tolik není.
Velmi často je tou hlavním příčinou prostá skutečnost, že co zprvu vypadá jako slibně se vyvíjející nápad, se nakonec nedostane až do fáze finálního produktu. Důvodů toho může být vícero. Jedním může být otázka stability. Velmi často nanočásticové systémy fungují v kapalném skupenství, jenže v něm také řada účinných látek poměrně rychle degraduje. To je mimochodem důvod, proč je většina léků na trhu ve stavu pevném, tedy v tabletkách, kapslích, případně v prášcích, které se až před použitím znovu redispergují do vody. Jakmile je nějaká věc ze svého principu kapalná, tak mívá nízkou stabilitu – a právě to často bývá důvodem, proč se v pozdějších fázích vývoje ukáže, že daný produkt nemá perspektivu.
Další častou příčinou toho, proč se slibně tvářící systém nedostane přes všechny fáze předklinického vývoje, je nízká specificita. To znamená, že akumulace v cílové tkáni, ať už je to nádor nebo jiná tkáň, funguje slibně na buněčných kulturách nebo i ve zvířecích modelech, ale hůře to už jde na lidských subjektech. Zde je totiž už větší diversita konkrétních jednotlivých fyziologií, přeci jen i ta laboratorní zvířata jsou si velmi podobná navzájem… Takže se nakonec stane, že jakmile je nějaký lék vystaven širšímu statistickému souboru subjektů, dojde k tomu, že procento úspěšnosti se rapidně sníží a v porovnání s nejlepší existující terapii, již nový lék nemusí mít dostatečný přínos. Alespoň ne takový, aby to opodstatnilo zvýšené náklady.
To musí být pro výzkumníky dost frustrující, narážet na takové opakující se problémy. Stalo se to i vám?
Určitě ano, řekl bych, že jde o nezbytnou součást konfrontace se světem. Ekonomika, ale i další praktické aspekty, se ve fázi akademického výzkumu mnohdy nestudují, ale projeví se až ve fázi, kdy se prvotní nápad někdo pokusí uvést do praxe. To je velmi často důvodem, proč se mnohé nanočásticové systémy nedostávají do aplikace s takovou mírou, jakou bychom očekávali podle toho, jaký se v tom dělá výzkum.
I můj náhled na problematiku byl, musím říct, naivní nebo minimálně přehnaně optimistický. Když se podívám na to, jakým projektům se v naší laboratoři věnujeme, na čem pracují moji studenti a kolegové, tak je to více při zemi vůči projektům, se kterými jsem tady na VŠCHT začínal v roce 2008. Dá se říct, že jak se postupně dostáváme k nanočásticovým systémům, snažíme se dnes o co největší jednoduchost. To je asi hlavní aspekt – čím víc je v takovém systému složek a různých funkčních komponent, tím vyšší je pravděpodobnost, že tam něco z různých důvodů selže. A to nejen z technických, ale i ekonomických důvodů. Jenže právě ta přemíra komponentů může být také zajímavá z hlediska vědeckého a publikačního.
Takže my jsme se v poslední době dostali k systémům poměrně jednoduchým z hlediska složení, ale přesto velmi silným z hlediska funkčnosti nanočásticového systému. Například nanokrystalky spočívají v tom, že je čistá účinná látka namleta na částice ve velikosti řádově desítek nanometrů, která je poté stabilizovaná fosfolipidy. To jsou látky, které jsou tělu vlastní, takže u nich nehrozí negativní imunitní odezva či jiné negativní vlivy. Výsledkem jsou systémy, které se velmi rychle vstřebají do buněk a mají velmi dobrou farmakokinetiku – a hlavně umožní testovat stejnou formulací o stejném složení jak v ranném stádiu, kdy to je skutečně ještě na buněčných kulturách, tak i poté na zvířecích modelech, až do lidských subjektů.
Zmínil jste nanokrystalky, kterým se věnujete ve i vaší laboratoři. Co je jejich výhodou, proč vás zaujaly?
Jeden z častých kamenů úrazu, zejména u nových molekul, je skutečnost, že testy v ranné fázi vývoje se dělají pro špatně rozpustné látky pomocí rozpouštědla DMSO. To je sice skvělé rozpouštědlo, rozpustit se v něm dá téměř cokoliv, ale zároveň může dávat falešně pozitivní výsledky. Umožní totiž permeabilizaci, to znamená zvýšení propustnosti buněčných membrán – a řada molekul, která takto funguje v laboratorních testech, už nefunguje poté ve fázi předklinických a klinických testů. Danou látku je totiž nutné opět přeformulovat do nějaké jiné formy vhodné pro podání lidem, například krystalů – a v této formě poté již nevykazují takovou účinnost kvůli nízké rozpustnosti nebo nízké permeabilitě.
Výhoda nanokrystalků, které jsme si i patentovali, je kromě výše zmíněného zlepšení rozpustnosti právě to, že umožňují pracovat se stejnou formou jak v ranné fázi vývoje, tak i v pozdějších studiích – v předklinických testech na zvířecích modelech nebo v klinických studiích.
Četl jsem, že k nanočásticím jste se dostal skrze původní bádání u pracích prášků. Proč jste se ale vůbec původně dostal k chemii? Co vás na ní lákalo?
Moje cesta k vědě nebo chemii asi klasicky začala na střední škole, kde mě zkrátka hodně bavily předměty spojené s chemií, fyzikou, matematikou, biologií. Když jsem se později rozhodoval, kam jít studovat, hledal jsem školu, kde se právě technické předměty kombinují a jsou i trošku prakticky zaměřené, takže padla volba na Vysokou školu chemicko-technologickou v Praze. No a během doktorského studia jsem se postupně začal zajímat o sypké materiály v práškové formě, jejich rozpouštění, způsoby výroby a strukturování. Moje první práce po absolvování doktorského studia byla ve Velké Británii ve vývojových laboratořích firmy Unilever, což je výrobce s potřební chemie, kosmetiky, potravin.
Konkrétně jsem byl ve skupině, která zabývala detergenty, pracími prášky. Hodně nás zajímala otázka rychlosti rozpouštění, uvolňování různých složek, jako jsou enzymy a parfémy a různá změkčovadla a další složky té formulace. Právě skrze to jsem se postupně dostal i k farmaceutickým formulacím, které jsou v mnohém podobné. Jenom se nejedná o rozpouštění prášků v bubnu prací pračky, ale v žaludku lidského těla. To je ale z hlediska složitosti látek, které se tam vyskytují a komplexnosti prostředí a změny pH, v mnohem podobné.
Takto jsem se postupně dostal k otázce farmaceutických procesů, systémům pro doručování léčiv a od granulí a mikročástic až právě k nanočásticím a nanoformulacím. Druhá věc, která mě na práci ve vědě baví, je možnost přicházet do kontaktu s odborníky z jiných oblastí, jak geografických, tak aplikačních. I proto jsem se během celého svého profesního života snažil se záměrně vystavovat mezinárodnímu prostředí.
Foto: Společná fotka s americkým hostitelem prof. Rohitem Ramachandranem, jaro 2021, Rutgers University, New Jersey. S tím se pojí i vaše cesta na fulbrightovskou stáž, je to tak?
Část svého života jsem strávil v zahraničí, zejména ve Francii a Velké Británii. Poté, co jsme v České republice absolvovali tu fázi, kdy naše děti byly malé a byli jsme pevně zakotveni, mi Fulbright poskytl novou příležitost znovu strávit nějaký čas v zahraničí, tentokrát ve Spojených státech. Bylo to pro mě velmi inspirativní, byť relativně krátké období.
Na pobytu v USA jsme byli s celou rodinou, takže i děti měly možnost zažít americkou kulturu a chodit tam do školy. Toto období bylo pro mě osobně i profesně velmi obohacující a za to jsem velmi vděčný. Myslím si, že mě tato zkušenost nabila novými nápady a energií, posune mě dopředu a pomůže mi pokračovat ve výzkumné práci.
Tradiční závěrečná otázka: Co by podle vás měl každý laik vědět o tématu vývoje léků, ale dle vás to často lidé nevědí?
Co se týče farmacie a farmaceutických produktů, měl bych zmínit, že lék není pouze účinná látka, tedy molekula, která má konečný farmakologický účinek. Ve skutečnosti je stejně důležitá a často dokonce důležitější role tzv. formulace, což zahrnuje skupenství, velikost částic, a zda je účinná látka v krystalické nebo amorfní formě, a také další pomocné látky, s nimiž je tato účinná látka ve finálním léčivém přípravku smíchána. Právě toto ovlivňuje, jaký má lék účinek v těle, jak dobře se vstřebává a jak efektivní je. Myslím si, že tato skutečnost je často opomíjena.
