PT

Portal Techniczny

Zastosowanie ultradźwięków w walce z nowotworami

Data publikacji: 12.07.2016 godz.15:35
Autor: Alicja Kaleta

Polscy naukowcy z Międzyresortowego Instytutu Techniki Radiacyjnej (MITR) Politechniki Łódzkiej prowadzą badania nad otrzymywaniem m.in. nanocząstek złota, które mają być stosowane w diagnostyce i terapii nowotworowej.

Spekuluje się, że prace nad metodą wytwarzania takich nanocząsteczek złota zostaną zakończone za kilkanaście miesięcy. Będą mogły być one stosowane jako nośniki zarówno do kontrolowanego dostarczania leków jak i  nośniki izotopów promieniotwórczych w radioterapii.

Dziedziną chemii zajmującą się zastosowaniem dźwięków o wysokiej częstotliwości, czyli ultradźwięków, jako źródła energii do wywoływania reakcji chemicznych jest sonochemia. Reakcje te będą mogły być wykorzystywane w celu rozkładania szkodliwych substancji w ściekach, uzdatniania wody pitnej, a także mogą mieć duży udział w medycynie m.in. w terapii i diagnostyce nowotworowej.

Zdaniem dr hab. Piotra Ulańskiego, zastępcy dyrektora Instytutu ds. naukowych, ultradźwięki mogą powodować reakcje chemiczne dzięki zjawisku kawitacji. Zjawisko to polega na oddziaływaniu ultradźwięków o dużej mocy w cieczy. Za przykład mogą posłużyć reakcje zachodzące w wodzie, gdzie powstaje duża liczba, bardzo małych pęcherzyków gazu, drgających w takt fali ultradźwiękowej. Oznacza to, że pęcherzyki kurczą się i rozprężają kilkadziesiąt lub nawet kilkaset tysięcy razy na sekundę.

Wnętrze pęcherzyka w czasie sprężania silnie się nagrzewa do temperatury rzędu kilku tysięcy stopni, podczas gdy otaczająca go ciecz ma temperaturę otoczenia. Proces ten jest bardzo krótki – ma wartość milionowej części sekundy.

"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” - przedstawił dr Ulański.

Takie działania skutecznie niszczą komórki bakterii, a także rozkładają związki zanieczyszczające wodę,  można je zatem wykorzystać np. do uzdatniania wody pitnej. „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” - wyjaśnił naukowiec.

Możliwe jest także rozkładanie szkodliwych substancji w ściekach za pomocą ultradźwięków, które efektywnie eliminują nawet takie substancje, które są trudne do unieszkodliwienia innymi metodami.

Sonochemia może być także wykorzystywana do wytwarzania produktów o rozmaitych właściwościach i zastosowaniach. Za przykład może posłużyć otrzymywanie nanocząstek metali, zwłaszcza złota i srebra (nanocząstki srebra są już stosowane w wielu dziedzinach techniki).

Jak twierdzi dr. Ulański nanocząstki złota będą miały zastosowanie na większą skalę. Już teraz 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.

Badania nad nanocząstkami prowadzą 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.

Na daną chwilę łódzcy badacze 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 dr Ulański.

Jeszcze niedawno naukowcy mieli problemy z zastosowaniem ultradźwięków do tworzenia materiałów polimerowych poprzez łączenie ze sobą (tzw. sieciowanie) łańcuchów polimerów. Problem ten został rozwiązany przez specjalistów z łódzkiej Politechniki, którzy jako pierwsi na świecie stworzyli 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 – zaznaczył dr Ulański.

Łódzcy badacze prowadzą także badania, mające na celu doprowadzenie do zrozumienia tzw. efektu sono dynamicznego. Efekt ten jest podstawą nowej postulowanej terapii antynowotworowej – terapii sonodynamicznej.

Idea terapii sonodynamicznej jest podobna do wykorzystywanej już w klinikach terapii fotodynamicznej. W przypadku gdy do organizmu pacjenta wprowadzony zostanie odpowiedni barwnik (fotouczulacz), który gromadzi się selektywnie w tkance rakowej, a kolejno 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.

Terapia fotodynamiczna jest skuteczna, ale ma też istotne ograniczenie – światło przenika tkankę tylko na głębokość kilku milimetrów, w związku z tym 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” - twierdzi dr Ulański. Dotychczas udowodniono, że takie rezultaty można osiągnąć in vitro, a także w badaniach na zwierzętach. Kolejne postępy zależą od szczegółowego zrozumienia mechanizmu działania 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” - zaznaczył naukowiec. Jego zdaniem jest jeszcze dużo pracy nim sonodynamiczna terapia nowotworowa będzie mogła być stosowana na pacjentach. "Jestem przekonany, że za lat kilka czy kilkanaście uda się doprowadzić tę technikę do takiego poziomu, żeby można było ją testować na pacjentach” - ocenił dr Ulański.