Nanocząstką w raka

Od lat 80. nanocząstki – czyli cząstki, których przynajmniej jeden wymiar wynosi około stu nanometrów – rewolucjonizują naukę i gospodarkę. Powstają albo z rozpadu cząstek większych, albo dzięki łączeniu relatywnie niewielkich ilości atomów w specjalnie stworzonych warunkach (chodzi przede wszystkim o temperaturę i ciśnienie). Nanocząstki zyskują oryginalną strukturę, a w konsekwencji szczególne właściwości, które pozwalają na nowe zastosowania. 

Naukami, które z powodzeniem wykorzystują właściwości nanocząstek w kontakcie z organizmami żywymi w swoich badaniach, są medycyna i ściśle związana z nią medycyna weterynaryjna. Zespół dr. hab. Michała Godlewskiego z Katedry Nauk Fizjologicznych Wydziału Medycyny Weterynaryjnej SGGW we współpracy z Instytutem Fizyki PAN oraz Weterynaryjnym Centrum Badawczym w Katedrze Chorób Dużych Zwierząt WMW prowadzi badania nad zastosowaniem nanocząstek w diagnostyce i leczeniu nowotworów. Ma na tym polu spore sukcesy: zdobył liczne medale na międzynarodowych targach wynalazków i innowacji, a jedna z członkiń – Paula Kiełbik, doktorantka WMW – została uhonorowana prestiżowym tytułem „kobiety wynalazcy” w XV edycji krajowego konkursu „Lider Innowacji”. 

Nanocząstki jako kontrast

Medalami uhonorowano przede wszystkim prace nad nanocząstkami jako markerami procesów nowotworowych. Zespół dr. Godlewskiego pracuje nad stworzeniem takich multimodalnych nanocząstek, które będą zdolne do kontrastu w rezonansie magnetycznym (MRI) i fluorescencyjnym. Chodzi o to, by w diagnostyce MRI zastąpić stosowany obecnie gadolin. Nie pozostaje on bowiem obojętny dla organizmu: kumuluje się w tkankach (m.in. mózgowej), jest neurotoksyczny i nefrotoksyczny. Drugą zaletą badanych nanocząstek jest to, że domieszka o właściwościach magnetycznych ma zdolność do emisji fluorescencji, można ją więc wykorzystać do precyzyjnej lokalizacji zmian nowotworowych podczas biopsji czy zabiegu chirurgicznego. 

Badane przez zespół nanocząstki z tlenków metali przejściowych domieszkowane jonami ziem rzadkich mają zdecydowaną przewagę nad podobnymi rozwiązaniami proponowanymi na świecie. Pierwszą i chyba najważniejszą zaletą jest brak toksyczności, potwierdzony nie tylko badaniami na liniach komórkowych, lecz także długoterminowymi obserwacjami prowadzonymi na zwierzętach laboratoryjnych. Przyjazna jest też metoda podawania: nanocząstki bardzo efektywnie wchłaniają się z przewodu pokarmowego, dlatego można podawać je doustnie, w formie kapsułek czy tabletek, co eliminuje problemy związane z przygotowaniem i stabilnością zawiesiny do podawania iniekcyjnego (zastrzyku). 

Lokalizacja nanocząstek w ogniskach zmian nowotworowych jest procesem związanym ze specyfiką fizjologii raka: nanocząstka wnika w nowotwór drogą fizyczną, przez śródbłonek naczyniowy. W guzie naczynia narastają na tyle szybko, że bariera krew–tkanka jest znacznie luźniejsza niż w przypadku zdrowego organizmu. W konsekwencji substancji jest się dużo łatwiej przedostać, dociera bezpośrednio i efektywnie do uszkodzonej tkanki. Co więcej, ponieważ tkanka rakowa ma znikomą ilość naczyń limfatycznych, nanocząstek nie można z niej szybko wyeliminować – kumulują się tam w znacznych ilościach i na czas dużo dłuższy niż w zdrowej tkance. 

„Większość dotychczasowych prób wykorzystania nanocząstek w onkologii wiązała się z próbą opracowania tzw. terapii celowanej: doczepiano do cząstki marker, najczęściej immunologiczny, który następnie miał związać się z antygenem w nowotworze. Największym problemem tego podejścia była zbyt duża specyficzność proponowanych rozwiązań:  nanocząstki były tworzone pod konkretny typ nowotworu, a nawet konkretny klon komórek, a nowotwory charakteryzują się pod tym względem niezwykłą plastycznością i zmiennością. W efekcie praktycznie niemożliwe stało się wyjście poza badania przeprowadzane na liniach komórkowych. Dla odmiany «nasze nanocząstki» są w stanie wykryć każdy nowotwór, a w przypadku nowotworów płuc dają stuprocentową specyficzność – mówi dr Godlewski. – Przez nieuszkodzone naczynia w płucach nanocząstki po prostu nie przechodzą, więc jeśli na obrazie monitora pojawi się kontrastujące pole, to z pewnością świadczy o rozwoju nowotworu.” 

Wielomodalność nanocząstek

„Podczas naszych badań okazało się, że przy zmianie stężenia domieszki jonów nanocząstki zachowują właściwości fluorescencyjne, do których dochodzi komponent magnetyczny: substancja w polu magnetycznym zmienia czas relaksacji jąder wodorowych, dzięki czemu podczas nieinwazyjnego zabiegu rezonansu magnetycznego możemy wykryć kumulacje nanocząstek w organizmie. A ponieważ kumulują się one w zmianach nowotworowych na drodze fizycznej, więc nie ma dużej specyficzności zmiany – możemy wykrywać nowotwory praktycznie każdego rodzaju” – wyjaśnia dr Godlewski. 

Nanocząstki, w przeciwieństwie do typowych markerów chemicznych, nie blakną, a kontrastując z autofluorescencją tkanki, dobrze i długo pokazują zmiany. Naukowcy chcą wykorzystać te właściwości do śródoperacyjnego obrazowania zasięgu zmian, aby ułatwić pobieranie biopsji do badań oraz do minimum ograniczyć konieczność usuwania zdrowej tkanki. Za opracowanie tych rozwiązań zespół otrzymał ostatnio złoty medal Światowej Organizacji Własności Intelektualnej na międzynarodowych targach innowacji w Kaoshiung na Tajwanie.    

Nanocząstki jako nośnik leków

Wspólne badania prowadzone przez Katedry: Nauk Fizjologicznych, Chorób Dużych Zwierząt WNM SGGW oraz Instytut Fizyki PAN potwierdziły także inne przewidywania naukowców – że nanocząstki tlenkowe są zdolne do wiązania substancji bioaktywnych i ich transportowania przez bariery tkankowe występujące w organizmie. Oznacza to, że nadają się do stosowania jako nośniki leków. Po podaniu doustnym są w stanie przetransportować przyłączoną substancję nie tylko przez barierę jelitową, lecz także przez niezwykle trudną do pokonania barierę krew–mózg, oddzielającą naczynia krwionośne od tkanki nerwowej. „Obecnie, by ją przełamać, trzeba podawać choremu bardzo wysoką dawkę leku. Tymczasem nanocząstki z łatwością przenikają do mózgu i deponują w nim przenoszoną substancję. Dlatego lek można podawać w znacznie mniejszym stężeniu: do mózgu dotrze potrzebna dawka, a organizm w dużo mniejszym stopniu będzie narażony na skutki uboczne stosowanego medykamentu” – tłumaczy dr Godlewski. 

Większość patentów wynikających z prowadzonych badań dotyczy procesu tworzenia nanocząstek – siłą rzeczy są to więc patenty Instytutu Fizyki PAN – ale zgłoszono też patenty związane z zastosowaniem: szczególnie w rezonansach magnetycznym i fluorescencyjnym. W ramach takiej współpracy złożony został niedawno patent na tworzenie i modyfikację domieszkowania nanomateriałów pod kątem zastosowań w rezonansie magnetycznym. Ponadto trzy patenty dotyczą nanowarstw – warstw tlenku metali przejściowych o grubości kilkudziesięciu nanometrów nanoszonych na trójwymiarową strukturę po to, by nadać właściwości antybakteryjne powierzchniom powszechnego użytku – ale to już zupełnie inna historia i inny kierunek badań. 

Prace nad zastosowaniami nanocząstek, zarówno tych o charakterze badań podstawowych, jak i przedwdrożeniowych i wdrożeniowych nie ustają – być może już za kilka lat nanocząstki zrewolucjonizują diagnostykę i terapię chorób nowotworowych nie tylko wśród zwierząt, lecz także wśród ludzi. 

Redakcja: Katarzyna Wolanin