Wdychamy nanostruktury

Niektóre zanieczyszczenia powietrza, np. spaliny diesla, szkodzą nam w bardzo wyrafinowany sposób. Zawierają maleńkie struktury, uwalniające truciznę dopiero w głębi płuc. Potrafimy już w ten sam sposób transportować do organizmu leki - rozmowa z prof. Leonem Gradoniem z Politechniki Warszawskiej

Co jest nanotechnologią, a co nią nie jest?

Nanotechnologia to procesy, które prowadzą do przemiany materii, doprowadzając substancje do rozmiarów definiowanych właśnie przez skalę nanometryczą - w okolicach 10^-9 metra. Ale nie chodzi wyłącznie o to, żeby zredukować obiekt do tego rozmiaru. Możemy sobie przecież wyobrazić, że redukujemy coś z rozmiarów milimetra przez mielenie i dostajemy np. drobiny o rozmiarach 100 nm. To nie wystarczy. Żeby to była nanotechnologia, trzeba wykorzystać jakąś własność funkcjonalną obiektów o takich rozmiarach, np. większą reaktywność - możliwość oddziaływania z innymi obiektami w sposób aktywniejszy, niż by się to działo, gdyby te obiekty były większe. Troszeczkę większy rozmiar powoduje inny sposób upakowania i stabilności strukturalnej i te specyficzne własności znikają.

Jeżeli rozumiemy proces, do którego chcemy wykorzystać ten obiekt nano ze względu na jego własności, to możemy mówić o nanotechnologii.

Reaktywność jest związana chociażby z powierzchnią cząstek. Kawałek aluminium się nie zapali. Proszek aluminiowy ma łącznie o wiele większą powierzchnię i zapali się od zapałki. A ten sam metal sprowadzony do rozmiarów nano sam się zapala. Nawet trzeba prace przy nim tak prowadzić, żeby do niechcianego samozapłonu nie dochodziło. No i produkuje się taki proszek w warunkach beztlenowych, a potem używa w np. mieszankach napędowych rakiet.

Przekroczenie pewnej granicy powoduje pojawienie się innych własności.

Wspomniał Pan o mieleniu. Nanocząstki można uzyskiwać w tak przyziemny sposób? Nie trzeba do tego supernowoczesnych technik?

Nie zawsze. Specyficzne własności mechaniczne - tnące - mieczy samurajskich sugerują, że te technologie już wtedy znano. Cierpliwe, wielokrotne kucie i zginanie to tak zwane ”przekształcenie piekarskie”.

Jak strucel makowy. Jeśli mamy duży obiekt, czyli ciasto, to na początku taka warstwa jest stosunkowo gruba. Ale wielokrotnie wałkując ciasto, równomiernie rozprowadzam wszystkie składniki. Kubki smakowe inaczej na takie ciasto reagują. Dobre strudle robione są właśnie tak, że uzyskujemy liczne warstewki naprawdę cienkiego ciasta i wymieszanych w nim składników.

I podobnie w kowalskich pracach nad mieczem samurajskim - zmiana struktury wpływa na specyficzne własności. Taki miecz jest wielokrotnie rozżarzany, rozkuwany, zaginany i rozkuwany na nowo. I jak byśmy się przyjrzeli takim obiektom dokładniej, to one schodzą właśnie w lokalnej strukturze do skali nano.

Ale średniowiecznym japońskim kowalom odmawiamy miana nanotechnologów.

No właśnie. Żeby taką nazwę nosić, trzeba jednak lepiej rozumieć te procesy.

Czym zajmuje się Pańskie laboratorium?

Tworzymy tu nanoobiekty do celów medycznych. Projektujemy nanostruktury, które są większe niż 100 nm, np. mają 300, 500 nm (inaczej mówiąc - pół mikrometra- jak używamy „nano” to jest jakoś ciekawiej) i składają się z mniejszych elementów. Sama cegiełka, z jakich nanostruktura jest zbudowana, ma wymiar poniżej 100 nm, czyli jest nanocząstką.

Tworzenie nanostruktur przenoszących lek

I potem każe Pan te drobinki wdychać pacjentom...

Bo w drzewie oskrzelowym nanotechnologia jest jak znalazł!

Drzewo oskrzelowe - część naszego układu oddechowego - ma mechanizm obronny. Razem z powietrzem dostają się tam różne zanieczyszczenia. Na powierzchni tych kolejnych rozwidlających się dróg oddechowych jest śluz (składający się głównie z polimerów - glikoprotein). I ten śluz ma wyłapać wszelkie cząstki zawarte we wdychanym powietrzu.

A teraz wyobraźmy sobie, że chcemy podać lek. Wdychamy go, cząstki leku osiadają na tym śluzie i razem z nim wędrują w kierunku przełyku. W większości nie przebijają się do celu - pęcherzyków płucnych i do krwi, albo do receptora pod śluzem, który po oddziaływaniu z lekiem powoduje np. rozszerzenie oskrzeli (w przypadku leczenia astmy). Stąd skuteczność terapii dużymi inhalowanymi cząstkami leku nie jest tak efektywna. Trzeba dać dużą dawkę, żeby część z niej trafiła do celu.

A duża dawka oznacza skutki uboczne...

No właśnie. Ze skutkami ubocznymi musimy się pogodzić w terapiach tradycyjnych, gdzie cząstki leku mają rozmiary mikronowe. Okazuje się jednak, że przy rozmiarach nanometrycznych, obiekt właściwie skonstruowany może zmieniać własności tego polimeru w śluzie. Dzięki swojej silnej reaktywności tnie łańcuchy glikoproteinowe, albo zmienia ich konfigurację.

Ale nie na trwałe?

Nie, chwilowo. Tylko na czas własnego przebywania w płucach. Lek dojdzie do celu, a śluz się odnawia. Jak już nie ma tego zakłócenia w postaci obecności nanocząstki, śluz wraca do swojej pierwotnej funkcji.

Czy wdychane obiekty są równocześnie lekiem, czy tylko przenoszą lek?

Zwykle sama nanocząstka jest lekiem.

Ale czasem - gdy chcemy wygenerować aerozol z nanocząstek - trudno je poodrywać od siebie. Taki nanoproszek bardzo mocno się spaja ze sobą. Więc jeśli chcemy je wprowadzić każdą z osobna, dodajemy nanocząstkę do nieco większego obiektu - nośnika. Taka większa cząstka - o rozmiarach kilku mikrometrów - z doczepionymi nanocząstkami, trafia do organizmu łatwiej. Używając takiej techniki wprowadzania leku, przy okazji tak projektujemy ten nośnik, żeby i on oddziaływał na śluz w drzewie oskrzelowym i jeszcze silniej go degradował. Sam nośnik oczywiście nie jest szkodliwy.

Z kolei obiekty nanostrukturalne, o których mówiłem przed chwilą, są złożone z nanocząstek (które same w sobie są aktywne), ale spełniają dodatkową rolę dzięki swojej konfiguracji przestrzennej.

Co jeszcze można uzyskać dzięki nanotechnologii, poza zminimalizowaniem dawki leku?

Możemy w ten sposób zaprojektować nowe leki do terapii ogólnej, ale podawane drogą wziewną, a nie w tabletce czy zastrzyku. Staramy dobrać odpowiednio tempo uwalniania leku, żeby odpowiadało działaniu zdrowego organu. Np. możemy tak podawać insulinę. Wiemy, ile trzustka jej powinna produkować. I wystarczy zainhalować np. dwa razy na dobę określoną dawkę odpowiednio skonstruowanego kompozytu nośnika z lekiem, aby ten lek uwalniał się w tempie jak to ma miejsce w zdrowym organizmie.

A co jest nie tak z tradycyjnymi metodami podawania insuliny? Te pompy są dziś dość nowoczesne...

Jakby nie były nowoczesne, taka terapia wiąże z wielokrotnym ”dziurawieniem” skóry i ryzykiem infekcji.

Rozmawialiśmy już o piekarzach i japońskich kowalach. Z jakiego sprzętu najczęściej się korzysta w Pańskim laboratorium?

Do identyfikacji cząstek otrzymanych jakąś dowolną metodą, używamy mikroskopu elektronowego - tunelowego czy skaningowego.

Natomiast w trakcie procesu produkcji, gdy ten nanoobiekt wykorzystujemy do uformowania czegoś funkcjonalnego, co ma spełnić potem w organizmie określone zadanie, wykorzystujemy metody spektrofotometryczne, albo na przykład - ruchliwość takiego obiektu w polu elektrycznym. Znając własności takich cząstek można je dokładnie wydzielić.

W czasie produkcji niezbędne jest wybranie określonych obiektów z mieszaniny różnych substancji?

Tak, proces produkcji nanocząstek jest spontaniczny, a w dodatku następuje wśród nich wewnętrzna samoorganizacja, w wyniku której tworzą się większe obiekty. I dostajemy całe spektrum różnych produktów. Musimy więc dokładnie wybrać te, o które nam chodzi. Do tego właśnie zwykle stosujemy pole elektryczne.

Czy przy odsiewaniu pozostałych cząstek zdarza się przypadkowe odkrycie czegoś przydatnego?

Tak, one często tworzą bardzo interesujące obiekty.

Czyli warto te śmieci badać?

Tak. No i nie nazywajmy ich śmieciami. Z punktu widzenia określonego celu, to jest produkt uboczny. Może być bardzo ciekawy. I często na tym polegają nowe odkrycia, że zauważymy coś wśród tych „nieistotnych” produktów ubocznych.

 

fot. Science / AAAS / nanorurki

Nanorurki węglowe pod mikroskopem - fot. Science/AAAS

Zdarzyło się Panu coś takiego?

Nie całkiem, ale zdarzyło się coś podobnego. Ponieważ nanotechnologia oznacza produkcję często bardzo toksycznych substancji, równolegle z odkrywaniem kolejnych nanoobiektów, pracujemy nad technikami zabezpieczeń przed zatruciem ludzi i środowiska. Przeciwko tym „złym nanocząstkom”. Chodzi na przykład o skuteczne zabezpieczenie laboratorium, żeby np. nic do atmosfery nie uciekało przez tworzenie nanostrukturalnych materiałów filtracyjnych.

...albo laborant się nie nawdychał?

Otóż to. Ten nurt wynika ze spójności prac w naukach medycznych. Z jednej strony leczenie, z drugiej - toksykologia.

No i - poniekąd przypadkiem - wykryliśmy, co się dzieje w płucach z cząstkami diesla. Ich toksyczność nie wynika z chemicznej toksyczności sadzy, głównego składnika spalin. Toksyczne okazały się lotne związki organiczne - z odparowanego oleju. Ale samodzielnie też by nie szkodziły. One są groźne dopiero w połączeniu z tą sadzą.

Jak to odkryliśmy? Badania na szczurach pokazały toksyczność cząstek diesla. Nie wiadomo było, co w spalinach jest takie szkodliwe, że powoduje raka. Naukowcy koncentrowali się na badaniach sadzy. Dokładniejsze badania wykazały, że do środka porowatych cząstek sadzy wchodzą lotne związki organiczne, pochodzące z wentylacji skrzyni biegów. Olej odparowuje i stąd te substancje. Jedne i drugie łączyły się w rurze wydechowej.

Zdążą przereagować w ciągu takiej krótkiej chwili?

To nawet nie była reakcja chemiczna, tylko „banalny” proces fizyczny. Taka cząstka diesla jest zatem zbudowana głównie z węgla - to cząstki sadzy o rozmiarach 8-10 nanometrów, połączone w rozbudowane struktury przestrzenne. Mają one bardzo skomplikowaną budowę. Na krzywiznach takich cząstek jest lokalne obniżenie ciśnienia i to powoduje bardzo silną kondensację par tego oleju. W normalnych warunkach one by się z węglem nie łączyły, ale tu działają prawa, na których opiera się nanotechnologia. Mamy bardzo silny efekt zakrzywienia obiektu właśnie na poziomie nano.

...i mamy zabójczą nanocząstkę przenoszącą trucizny.

Na dokładnie tych samych zasadach opiera się nasza produkcja leków wprowadzanych do płuc.

Co się dzieje z sadzą z silników diesla w organizmie? Udało nam się zbadać ten mechanizm. Sama sadza nie byłaby szkodliwa, bo by ją organizm wyrzucił. Okazało się jednak, że w organizmie sadza uwalnia ten cały bagaż trucizn prosto do pęcherzyka płucnego. A te w dodatku - paraliżowały obronę organizmu przed przenikaniem niepożądanych substancji dalej. W efekcie wszystkie zanieczyszczenia, które tam trafiły, lądowały w tkance płuc. I rozwijał się nowotwór.

A skoro tak, to trzeba w samochodach rozdzielić strumień spalin i wentylację skrzyni biegów, by nie dopuścić do tworzenia się takich groźnych nanoobiektów. Przemysł już zareagował na nasze odkrycie.

I to już jest wdrażane?

Tak, odpowiednie separatory są już w produkcji.

Jak oba te bliźniacze mechanizmy - zatrucia spalinami z silnika diesla i wprowadzania leku do płuc - mają się do niesławnej azbestozy?

To bardzo dobre pytanie. Azbest ma też specyficzną budowę. Kryształ azbestowy jest długą igiełką, o średnicy ok. 100 nanometrów i długości kilku mikrometrów. Dlaczego takie cząstki są szkodliwe? Nie ze względów chemicznych. Gdyby azbest był kulką, nie przedostałaby się ona głęboko do płuc. Zaczepiłaby się gdzieś po drodze i została usunięta. Natomiast taka igiełka ”frunie” wraz z wdychanym powietrzem i jest w stanie dotrzeć aż do pęcherzyka płucnego.

W płucach jest jeszcze jeden mechanizm obronny, który też wykorzystujemy w trakcie terapii - ”do posprzątania”. Jak się już uwolni lek, to zwykle pozostaje taki szkielet nośnika. On zwykle nie jest szkodliwy, ale i tak jest usuwany. Robią to makrofagi, czyli wyspecjalizowane komórki układu odpornościowego.

Okazuje się, że azbest zalegający w płucach, nie tylko niweczy działanie fosfolipidowej warstwy ochronnej wyściełającej płuca, ale równocześnie utrudnia komunikację organizmu z makrofagami. W efekcie wszystkie inne zanieczyszczenia zaczynają pokonywać uszkodzone zabezpieczenia i zagrażają nowotworem.

Gwiazdami nanotechnologii są węglowe nanorurki. Równocześnie jednak wiemy już, że są one niesłychanie toksyczne, a jeszcze na dokładkę - przypominają azbest. Czy warto nad nimi pracować tak ochoczo?

Na nanorurkach można obserwować fantastyczne zjawiska i to absolutnie wymarzony materiał dla inżyniera. A jednocześnie, trzeba pamiętać, że posługiwanie się nimi wymaga ostrożności.

Ale słusznie mi się wydaje, że nanorurki są świetnym materiałem w elektronice, a w medycynie już nie?

A skąd! Jest potencjalnie dużo zastosowań w medycynie, bo ten materiał jest niesłychanie wytrzymały mechanicznie. Można sobie wyobrazić wiele użytecznych konstrukcji z nanorurek. Niekoniecznie używanych do transportu leku, jak w omówionych przypadkach, ale do jakichś medycznych urządzeń w nanoskali. Tylko badania nad nimi muszą być prowadzone w sposób przemyślany i kontrolowany.

Ale my tak właśnie pracujemy.

 

Prof. Leon Gradoń jest specjalistą inżynierii biomedycznej, inżynierii chemicznej i procesowej. Kieruje Katedrą Inżynierii Procesów Zintegrowanych na Politechnice Warszawskiej. W 2006 otrzymał nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej za "wyjaśnienie podstawowych procesów transportu w układach dwufazowych i ich wykorzystanie do opracowania nowych konstrukcji filtrów wgłębnych".

Więcej o: