Polscy naukowcy pracują nad zastosowaniem ultradźwięków w walce z nowotworami

Naukowcy z Międzyresortowego Instytutu Techniki Radiacyjnej (MITR) Politechniki Łódzkiej pracują nad otrzymywaniem m.in. nanocząstek złota, które w przyszłości mają być stosowane w diagnostyce i terapii nowotworowej, na przykład jako nośniki leków.

Naukowcy liczą, że najpóźniej za kilkanaście miesięcy uda im się zakończyć prace nad metodą wytwarzania takich nanocząstek złota, które będą mogły być stosowane jako nośniki do kontrolowanego dostarczania leków i nośniki izotopów promieniotwórczych w radioterapii.

Sonochemia to stosunkowo nowa dziedzina chemii zajmująca się zastosowaniem dźwięków o wysokiej częstotliwości, czyli ultradźwięków, jako źródła energii do wywoływania reakcji chemicznych. Reakcje sonochemiczne można wykorzystać do uzdatniania wody pitnej, do rozkładania szkodliwych substancji w ściekach, a także mogą mieć zastosowanie w medycynie m.in. w terapii i diagnostyce nowotworowej.

Jak powiedział PAP zastępca dyrektora Instytutu ds. naukowych dr hab. Piotr Ulański, ultradźwięki mogą inicjować reakcje chemiczne dzięki zjawisku kawitacji. Pod wpływem ultradźwięków o dużej mocy w cieczy np. w wodzie powstają liczne, bardzo małe pęcherzyki gazu, które drgają w takt fali ultradźwiękowej, czyli kurczą się i rozprężają kilkadziesiąt lub nawet kilkaset tysięcy razy na sekundę.

Podczas sprężania pęcherzyka, na bardzo krótki czas, rzędu milionowej części sekundy, jego wnętrze silnie się nagrzewa osiągając temperaturę nawet do kilku tysięcy stopni, mimo, że otaczająca go ciecz ma temperaturę otoczenia.

"Jak we wnętrzu tego pęcherzyka podgrzejemy gaz do kilku tysięcy stopni, to cząsteczki ulegają rozpadowi na wolne rodniki, które są bardzo reaktywne. Rodniki uciekają z pęcherzyków kawitacyjnych i są w stanie potem zapoczątkowywać rozmaite reakcje chemiczne” - wyjaśnił dr Ulański.

Takie reakcje sonochemiczne można wykorzystać np. do uzdatniania wody pitnej, bowiem ultradźwięki skutecznie niszczą komórki bakterii, a także rozkładają związki zanieczyszczające wodę. „Można nie używać chloru, ozonu, a zamiast nich użyć ultradźwięków. Takie pilotowe instalacje oczyszczające wodę na skalę małego miasteczka działają w tej chwili już np. w Niemczech” - dodał naukowiec.

Reakcje sonochemiczne mogą też służyć do rozkładania szkodliwych substancji w ściekach. Ultradźwięki skutecznie usuwają nawet takie substancje, które są trudne do unieszkodliwienia innymi metodami, np. barwniki, pestycydy czy chlorowcowane węglowodory aromatyczne.

Sonochemia może także służyć do wytwarzania ciekawych produktów o rozmaitych właściwościach i zastosowaniach. Przykładem może być otrzymywanie nanocząstek metali, zwłaszcza srebra i złota. Nanocząstki srebra są już stosowane w wielu dziedzinach techniki, np. jako środek bakteriobójczy lub składnik przewodzącego tuszu do drukowania miniaturowych elementów dla elektroniki.

Zdaniem dr. Ulańskiego nanocząstki złota zrobią prawdopodobnie jeszcze większą karierę dlatego, że podejmuje się próby ich zastosowania w medycynie, zarówno jako nośników do kontrolowanego dostarczania leków, jak i nośników izotopów promieniotwórczych w radioterapii.

"Takie nanocząstki złota mogą być świetnymi nośnikami leków, mogą z lekami docierać w określone miejsce w organizmie. Mogą być również stosowane w radioterapii, czyli możemy taką nanocząstkę złota zaopatrzyć w izotopy promieniotwórcze i w takie właściwości, które spowodują, że trafi ona do tkanki nowotworowej” - wyjaśnił.

Nad takimi nanocząstkami pracują łódzcy naukowcy z MITR w ramach międzynarodowego programu, którym kieruje Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (IAEA) w Wiedniu, czyli agenda ONZ. Uczestniczy w nim 15 laboratoriów z 12 krajów. "Potrafimy już wytwarzać sonochemicznie nanocząstki złota w sposób powtarzalny. Te nanocząstki należy modyfikować tak, żeby były one stabilne przez długi czas w roztworze, czyli my je jeszcze +dekorujemy+ polimerami. To mamy opanowane" - ocenił.

Jak przyznał, obecnie łódzcy naukowcy są na etapie łączenia nanocząstek złota z cząsteczkami oligopeptydów, czyli krótkich fragmentów białek, które wybiórczo wiążą się z komórkami rakowymi. "W ten sposób te nanocząstki złota będą się niejako zakotwiczać w tkance nowotworowej. Trzeba jeszcze dołączyć do nich takie grupy chemiczne, które będą w stanie wiązać jony izotopów promieniotwórczych. Myślimy, że jeszcze ok. 1,5 roku zajmie nam wytworzenie końcowego produktu” - zapowiedział.

Do niedawna sonochemicy mieli problemy z zastosowaniem ultradźwięków do tworzenia materiałów polimerowych poprzez łączenie ze sobą (tzw. sieciowanie) łańcuchów polimerów. Naukowcy z łódzkiej Politechniki poradzili sobie z tym problemem i – jako pierwsi na świecie – opracowali metodę sonochemicznego łączenia cząsteczek hydrofilowych polimerów i wytwarzania w ten sposób hydrożeli, które stosuje się m.in. jako opatrunki do leczenia ran pooparzeniowych, czy jako miękkie soczewki kontaktowe.

Kilka lat temu nasza publikacja na ten temat w prestiżowym czasopiśmie "Macromolecules" wyprzedziła o 10 dni publikację konkurencyjnego zespołu z Australii – podkreślił dr Ulański.

Łódzcy specjaliści zajmują się również badaniami, które mają doprowadzić do zrozumienia tzw. efektu sonodynamicznego, który jest podstawą nowej postulowanej terapii antynowotworowej – terapii sonodynamicznej.

Idea tej terapii jest zbliżona do stosowanej już w klinikach terapii fotodynamicznej. Jeśli do organizmu pacjenta wprowadzony zostanie odpowiedni barwnik (fotouczulacz), który gromadzi się wybiórczo w tkance rakowej, a następnie wzbudzi cząsteczki tego barwnika światłem o określonej długości fali, cząsteczki barwnika oddając energię generują tzw. tlen singletowy – bardzo reaktywną formę tlenu, która niszczy komórki nowotworowe. Naukowcy z MITR PŁ mają swój wkład w opracowywaniu coraz lepszych barwników do takiej terapii.

Terapia fotodynamiczna jest skuteczna, ale ma też poważne ograniczenie – światło przenika tkankę tylko na głębokość kilku milimetrów, zatem nie wszędzie można w ten sposób dotrzeć. Tymczasem ultradźwięki przenikają tkanki na dużo większą odległość.

"Jeśli udałoby się opracować terapię, w której odpowiednie cząsteczki mogłyby być aktywowane za pomocą ultradźwięków, a po aktywacji niszczyć tkankę nowotworową, byłby to znaczący postęp” - uważa dr Ulański. Na razie wykazano, że takie efekty można osiągnąć in vitro, a także w badaniach na zwierzętach. Dalszy postęp zależy w dużej mierze od dokładnego zrozumienia mechanizmu tych zjawisk i nad tym aktualnie pracują łódzcy sonochemicy.

"Staramy się przede wszystkim pracować nad zrozumieniem podstaw tej techniki, czyli jaki jest mechanizm tego, że odpowiednie cząsteczki po dostarczeniu im energii w postaci fali akustycznej, potrafią niszczyć tkankę nowotworową” - podkreślił dr Ulański. Jego zdaniem jest jeszcze daleka droga zanim sonodynamiczna terapia nowotworowa wejdzie do klinik, ale trzeba nad tym pracować. "Jestem przekonany, że za lat kilka czy kilkanaście uda się doprowadzić tę technikę do takiego poziomu, żeby można było ją testować na pacjentach” - ocenił naukowiec. (PAP)