Uniwersytet Śląski w Katowicach

| Olimpia Orządała |

Nanotechnologia – jedna z najszybciej rozwijających się dyscyplin naukowych – zajmuje się strukturami, materiałami i urządzeniami w skali nanometrycznej, czyli na poziomie cząsteczek i pojedynczych atomów. Można ją zastosować w różnych dziedzinach życia, m.in. w medycynie, elektronice, transporcie i produkcji żywności. Szczególnie interesująca jest dla naukowców zajmujących się celowanymi terapiami przeciwnowotworowymi. Dr inż. Maciej Serda z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach w ramach projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki opracowuje nanoterapeutyki fullerenowe do leczenia i diagnozowania nowotworów trzustki.

Nanomedycyna to nasza przyszłość

Aby lepiej zrozumieć działanie nanoterapeutyków, warto najpierw zrozumieć znaczenie nanomedycyny. Nie da się ukryć, że jest to przyszłość współczesnej medycyny. Świadczy o tym m.in. fakt, że odegrała istotną rolę podczas pandemii SARS-CoV-2. Jak podkreśla dr inż. Maciej Serda, dzięki niej mogliśmy korzystać z nowych typów szczepionek. Wszystkie najnowsze leki oparte na mRNA są związane z nośnikiem nanometrycznym, tzw. liposomami kationowymi. Agencja Żywności i Leków (FDA) oraz Europejska Agencja Leków zarejestrowały już około 60 medykamentów tego typu, które mogą być stosowane w leczeniu pacjentów.

– Są to różnego rodzaju leki przeciwbakteryjne, ale też tzw. formulacje leków, zamykane w micelach, w liposomach, skompleksowane z białkami, np. albuminą, które dają nowe możliwości do zastosowania starych leków starego typu – wyjaśnia badacz z Uniwersytetu Śląskiego.

Nanomedycyna może być również pomocna w leczeniu nowotworów za sprawą terapii spersonalizowanych, czyli celowanych molekularnie. To innowacyjna metoda leczenia opracowana z myślą o konkretnych zaburzeniach genetycznych wykrytych u danej osoby.

Wyjątkowo agresywny przeciwnik

Dotychczas nie udało się stworzyć skutecznego leku na gruczolakoraka przewodowego trzustki. To najczęstszy, wyjątkowo agresywny typ nowotworu trzustki. Może szybko rozprzestrzeniać się na otaczające narządy, nie dając żadnych objawów. Tradycyjna chemioterapia okazuje się nieskuteczna w walce z tym przeciwnikiem. Naukowcy nieustannie poszukują skutecznego sposobu leczenia i diagnozowania nowotworów trzustki z udziałem nowych typów terapii (immunoterapie, terapie genowe oraz nanoterapeutyki).

– Nasze podstawowe działanie badawcze to próba walki z nowotworem trzustki – mówi dr inż. Maciej Serda, kierownik projektu realizowanego w ramach konkursu OPUS. Celem przedsięwzięcia jest opracowanie nowych środków teranostycznych, które jednocześnie ułatwiają terapię, jak i służą do diagnozy. Jedną z nadziei na walkę z rakiem trzustki jest zastosowanie fullerenów.

O fullerenach słów kilka

Fullereny to odmiana alotropowa węgla, która została odkryta dosyć niedawno – pierwsze badania były prowadzone w latach 80. XX wieku.

– Naukowcy zauważyli, że po naświetlaniu laserem prętów grafitowych w wysokiej temperaturze wytwarzały się dziwne substancje przypominające sadzę. Wówczas jeszcze nie nazywano ich w żaden sposób – wyjaśnia chemik z Uniwersytetu Śląskiego. – Badano je za pomocą spektrometru masowego, który zawsze wskazywał jako dominującą masę 720 Da. Jeżeli podzielimy ją przez masę atomową węgla, wynoszącą 12, to otrzymamy 60 atomów węgla – dodaje.

Amerykańscy naukowcy uznali, że magicznym pierwiastkiem znajdującym się w sadzy powstałej w wyniku eksperymentu jest związek zawierający 60 atomów węgla. Ustalenie oraz potwierdzenie jego prawidłowej struktury zajęło kilka lat. W 1996 roku za odkrycie fullerenów Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali Harold Kroto z Uniwersytetu Sussex w Brighton oraz zespół Richarda Smalley’a i Roberta Curla z Uniwersytetu Rice’a w Stanach Zjednoczonych.

Jak przekonuje dr inż. Maciej Serda, fullereny to wyjątkowe nanomateriały węglowe.

– Jeśli odpowiednio je zmodyfikujemy chemicznie, będą one idealnie rozpuszczalne w wodzie, zaś niektóre pochodne fullerenowe przypominają kolorystycznie doskonałe czerwone wino. Mówimy wtedy, że mamy wino fullerenowe – śmieje się badacz i dodaje: – To jest dla mnie fascynujące, że po przeprowadzeniu odpowiednich reakcji chemicznych możemy sprawić, że fullereny są doskonale rozpuszczalne w wodzie.

Zespół badawczy, którym kieruje naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego, odkrył, że fullereny mogą oddziaływać z wieloma celami molekularnymi.

– W momencie, kiedy rozpuszczalny w wodzie fulleren oznaczymy fluoroforem, czyli takim „molekularnym światełkiem”, które sprawia, że możemy oglądać pod mikroskopem, jak fulleren krąży w danym układzie biologicznym, to zauważymy, że wycieka on z naczyń krwionośnych nowotworów znacznie bardziej, w przeciwieństwie do prawidłowych tkanek – wyjaśnia badacz. – Możemy zaobserwować, że podczas szybkiego namnażania się tkanki nowotworowe robią się „dziurawe”. Mówiąc inaczej: tak szybko tworzą swoje naczynia, że znajdują się w nich dziury. Jeśli związki fullerenowe mają odpowiednią wielkość, to mogą wyciekać z naczyń krwionośnych nowotworu i tam się lokować. To rzecz unikatowa, w porównaniu do np. związków małocząsteczkowych.

Od badań komórkowych do zwierzęcych

Zespół kierowany przez dr. inż. Macieja Serdę aktualnie kończy badania komórkowe. Naukowcom udało się odkryć, że niektóre fullereny wykazują dużą aktywność biologiczną i są nietoksyczne na modelu muszki owocówki.

– Przed nami poważne wyzwanie, którym dla każdego chemika jest przejście na model zwierzęcy – mówi badacz.

– Chcemy sprawdzić efektywność działania poszczególnych fullerenów na mysim modelu nowotworu trzustki. Przejście z modelu komórkowego, który stanowi pewne uproszczenie całej biologii nowotworów, do modelu zwierzęcego pozwoli nam uzyskać odpowiedzi na wiele pytań, np. czy związek jest toksyczny dla myszy. Teraz naszym kolejnym działaniem będzie przygotowanie i opracowanie formulacji, ustalenie dawki i sposobu podawania naszych nanomateriałów fullerenowych myszom – mówi chemik z Uniwersytetu Śląskiego.

Głównym celem badań jest możliwość stworzenia leków dla ludzi. Przed naukowcami jednak jeszcze bardzo długa droga. Badania na zwierzętach to duży krok milowy, który pozwoli lepiej poznać biodystrybucję związków fullerenowych, będzie można dowiedzieć się m.in., gdzie dokładnie lokują się w organizmach myszy oraz jak szybko są z nich usuwane. Choć wstępne badania na poziomie komórkowym dały wiele pozytywnych wyników, różnica pomiędzy badaniami komórkowymi a zwierzęcymi jest ogromna.

– Może się okazać, że na etapie zwierzęcym związki fullerenowe są toksyczne, wiążą się z białkami w sposób zbyt trwały albo są usuwane z organizmów bardzo szybko i nawet nie są w stanie osiągnąć danego efektu terapeutycznego. Nie jestem w stanie jeszcze powiedzieć, czy uda nam się zdobyć to Kilimandżaro, jakim jest stworzenie leków przeciwnowotworowych skuteczniejszych niż chemioterapia – podkreśla naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.

Warto zauważyć, że w pracach nad opracowywaniem leków istotną rolę odgrywa dobra współpraca pomiędzy badaczami z różnych dziedzin naukowych.

Śląsk węglem stoi – w nanomedycynie

Dr inż. Maciej Serda jest członkiem zespołu badawczego zajmującego się chemią medyczną – projektowaniem leków i nanofarmakologią. Liderem zespołu funkcjonującego w Instytucie Chemii UŚ jest prof. dr hab. Robert Musioł. Badacze współpracują także z grupą biofizyki farmaceutycznej kierowaną przez dr hab. Annę Mrozek-Wilczkiewicz, prof. UŚ z Instytutu Fizyki UŚ oraz z Centrum Projektowania i Syntezy Leków i Materiałów Uniwersytetu Śląskiego w Chorzowie, którego dyrektorem jest prof. dr hab. inż. Jarosław Polański.

– To unikatowe centrum, gdyż możemy w nim przeprowadzać pełną analizę biologiczno-chemiczną różnych związków. W laboratorium otrzymujemy nasze nanomateriały fullerenowe, które możemy scharakteryzować chemicznie, zobrazować za pomocą mikroskopów transmisyjnych oraz skaningowych, a także możemy zobaczyć, jak to wygląda w skali nanometrycznej. W dodatku w naszych laboratoriach przeprowadzamy testy na komórkach nowotworowych – opowiada dr inż. Maciej Serda. – Dobrze układa nam się również współpraca z grupą biologów pracujących pod kierunkiem prof. dr hab. Magdaleny Rost-Roszkowskiej z Wydziału Nauk Przyrodniczych UŚ, dzięki której możemy testować związki na żywych organizmach, czyli na muszkach owocówkach. Nasz projekt ma cechy interdyscyplinarne, a dzięki naszemu centrum w Chorzowie bardzo dużo rzeczy robimy lokalnie, tutaj na Śląsku. Współpracujemy też z inżynierami materiałoznawstwa, którzy pomagają nam obrazować związki fullerenowe, a także z biologami molekularnymi, by odpowiedzieć m.in. na pytanie, w jakich częściach komórki lokują się nasze „nanokuleczki” węglowe. W Chorzowie nie prowadzimy jedynie badań na myszach, ale od dawna współpracujemy pod tym kątem z grupą prof. Martyny Elas z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

– Cieszę się, że możemy pokazać reszcie Polski, że Śląsk to nie tylko przemysł związany z wydobyciem węgla. Udowadniamy, że potrafimy zrobić z tym materiałem coś, co może w przełomowy sposób pomóc naszemu społeczeństwu – podsumowuje naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.

Projekt pt. „Środek teranostyczny oparty o strukturę [60]fullerenu dla leczenia i diagnozy nowotworów trzustki”, którego kierownikiem jest dr inż. Maciej Serda, został dofinansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu OPUS.

Dr inż. Marcin Serda z Instytutu Chemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach | fot. Olimpia Orządała