Technologia

Szlachetne zdrowie

Numer 2/2021
Złoto północy, czyli bursztyn, stosowano do celów medycznych już w starożytności. Złoto północy, czyli bursztyn, stosowano do celów medycznych już w starożytności. Shutterstock
Kamienie szlachetne, metale szlachetne i bursztyny od wieków cieszą się niesłabnącą popularnością. Posiadanie ich kojarzy się z bogactwem i dobrobytem. Stosuje się je głównie w jubilerstwie, ale okazuje się, że mogą się przydać też w medycynie.
Wiertło dentystyczne ­pokryte diamentami. Zdjęcie wykonano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.Indigo Wiertło dentystyczne ­pokryte diamentami. Zdjęcie wykonano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.
Schemat urządzenia bazującego na tzw. lewitujących nanodiamentach. Układ może służyć do pomiaru stężenia tlenu w respiratorach.Tongcang Li/Purdue University Schemat urządzenia bazującego na tzw. lewitujących nanodiamentach. Układ może służyć do pomiaru stężenia tlenu w respiratorach.
Dostarczanie cisplatyny za pomocą nanorurki węglowej z dołączonymi grupami chemicznymi, które są rozpoznawane przez receptory komórek nowotworowych. Lek wprowadza się do wnętrza nanorurki (A), która zostaje zamknięta za pomocą nasadki (B). Nanokapsułka lokalizuje komórkę nowotworową (C) i przenika do jej wnętrza (D). Nasadka ulega biodegradacji (E). Lek zostaje uwolniony (F).Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Dostarczanie cisplatyny za pomocą nanorurki węglowej z dołączonymi grupami chemicznymi, które są rozpoznawane przez receptory komórek nowotworowych. Lek wprowadza się do wnętrza nanorurki (A), która zostaje zamknięta za pomocą nasadki (B). Nanokapsułka lokalizuje komórkę nowotworową (C) i przenika do jej wnętrza (D). Nasadka ulega biodegradacji (E). Lek zostaje uwolniony (F).
Dostarczanie leku za pomocą nanodiamentów. Lek (fioletowy) osadza się na nanodiamentach (niebieski), a całość zostaje zamknięta w liposomach. Dzięki grupom funkcyjnym (żółty) lek trafia wyłącznie do wnętrza komórek rakowych, niszcząc je.Lelieveld et al. Sci. Adv. 2015;1:e1500498, Dostarczanie leku za pomocą nanodiamentów. Lek (fioletowy) osadza się na nanodiamentach (niebieski), a całość zostaje zamknięta w liposomach. Dzięki grupom funkcyjnym (żółty) lek trafia wyłącznie do wnętrza komórek rakowych, niszcząc je.
Sekwencjonowa­nie DNA (kolorowy łańcuch) techniką opartą na tzw. nanoporach (niebieski) A – adenina C – cytozyna G – guanina T – tymina.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Sekwencjonowa­nie DNA (kolorowy łańcuch) techniką opartą na tzw. nanoporach (niebieski) A – adenina C – cytozyna G – guanina T – tymina.
Kryształy rubinu (czerwony) na dolomicie (niebieski). Fotografia wykonana w świetle ultrafioletowym.EAST NEWS Kryształy rubinu (czerwony) na dolomicie (niebieski). Fotografia wykonana w świetle ultrafioletowym.
Przebarwienia typu café au lait usuwa się za pomocą laserów aleksandrytowych.Shutterstock Przebarwienia typu café au lait usuwa się za pomocą laserów aleksandrytowych.
Pod wpływem światła kompleks irydu (różowy) upośledza działanie NADH, prowadząc do śmierci komórki.Huaiyi Huang/Sun Yat-Sen University Pod wpływem światła kompleks irydu (różowy) upośledza działanie NADH, prowadząc do śmierci komórki.
Opatrunek na rany impregnowany srebrem. Zdjęcie wykonano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.Indigo Opatrunek na rany impregnowany srebrem. Zdjęcie wykonano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.
Odpowiednio zmodyfikowane nanocząstki platyny nie szkodzą zdrowym tkankom. W komórkach nowotworowych ulegają utlenieniu do toksycznych jonów (Pt2+), które upośledzają funkcjonowanie komórek.Helma Wennemers/ETH Zurich Odpowiednio zmodyfikowane nanocząstki platyny nie szkodzą zdrowym tkankom. W komórkach nowotworowych ulegają utlenieniu do toksycznych jonów (Pt2+), które upośledzają funkcjonowanie komórek.
Schemat budowy lasera na bazie rubinu.Indigo Schemat budowy lasera na bazie rubinu.
Model cząsteczki cisplatyny. Atom platyny – granatowy, azotu – czerwony, wodoru – zielony, chloru – jasnoniebieski.Shutterstock Model cząsteczki cisplatyny. Atom platyny – granatowy, azotu – czerwony, wodoru – zielony, chloru – jasnoniebieski.
Zwolennicy litoterapii uważają, że agat pomaga na koncentrację i poprawia zdolności analityczne.Shutterstock Zwolennicy litoterapii uważają, że agat pomaga na koncentrację i poprawia zdolności analityczne.
Według medycyny niekonwencjonalnej cytryn pomaga w leczeniu cukrzycy.Shutterstock Według medycyny niekonwencjonalnej cytryn pomaga w leczeniu cukrzycy.

Litoterapię, czyli leczenie kamieniami szlachetnymi, stosowano już w starożytności. Wykorzystywano m.in. popiół z diamentów, którym próbowano leczyć trąd, gruźlicę, cukrzycę i anemię. Miał on także przedłużać życie, wzmacniać ciało i poprawiać cerę. Dzisiaj litoterapia również cieszy się zainteresowaniem, ale tak jak w przypadku innych gałęzi medycyny alternatywnej nie znaleziono dowodów na jej skuteczność. Ważny jest w niej dobór kamieni, gdyż każdy z nich charakteryzuje się innym składem chemicznym i, co za tym idzie, właściwościami. I tak np. hematyt ma niby pomóc w chorobach krwi, agat – oczu, a cytryn – cukrzycy. W czasie terapii kamienie powinny być ułożone na tzw. czakramach (czakrach), czyli energetycznych centrach znajdujących się na ciele człowieka. Niektórzy uważają, że istnieją tysiące takich miejsc, ale wszyscy są zgodni, że siedem z nich jest najważniejszych. Leżą one wzdłuż pionowej osi naszego ciała i są ze sobą połączone. Jedynie harmonijna współpraca między czakrami miałaby zapewnić nam zdrowie fizyczne i równowagę psychiczną.

Mały król

Podane przykłady to tylko myślenie życzeniowe. Okazuje się jednak, że naukowcy inspirują się właściwościami fizykochemicznymi niektórych drogocennych kamieni i wykorzystują je do opracowywania nowych terapii. Bardzo ciekawe zastosowanie znaleziono dla króla kamieni szlachetnych, czyli diamentu. Badacze nie używają jednak klasycznych klejnotów, tylko tzw. nanodiamentów. Są to stworzone w laboratorium drobiny z węgla w kształcie oktaedru i rozmiarach rzędu kilkudziesięciu nanometrów. Dzięki odpowiedniej modyfikacji powierzchni zyskują zdolność do gromadzenia się w tkankach nowotworowych. Na bazie nanodiamentów opracowano w ciągu ostatnich lat kilka strategii przeciwnowotworowych. Przedstawiona w 2014 r. metoda zespołu naukowców z University of Melbourne w Australii oraz Tufts University w Stanach Zjednoczonych polega na tym, że powierzchnię nanodiamentów (nie są dla tkanek toksyczne) pokrywa się lekiem antynowotworowym, a całość zawija we włókna jedwabiu. Dzięki otoczce lek uwalniany jest stopniowo, a grubość warstwy jedwabiu może być modyfikowana tak, aby kontrolować tempo jego dozowania. Daje to np. możliwość zaaplikowania większej dawki medykamentu bez skutków ubocznych. Ponadto defekty w sieci krystalicznej diamentu (tzn. podstawienie kilku atomów węgla atomami azotu) wywołują luminescencję, a to z kolei pozwala na śledzenie tych drobin w ciele człowieka i obrazowanie chorobowo zmienionych miejsc.

Diamenty przydają się również w innych gałęziach medycyny. Ponieważ są najtwardszymi materiałami na Ziemi (ze względu na silne wiązania między atomami węgla), stosuje się je do cięcia i polerowania różnych powierzchni, m.in. do bardzo precyzyjnego cięcia szkła (w tym do nacinania podziałek na przyrządach niezbędnych w pracy optyka). Sztucznymi diamentami wzbogaca się również końcówki wierteł dentystycznych. Także narzędzia chirurgiczne (np. skalpele) pokrywa się powłokami diamentopodobnymi, co wzmacnia ich wytrzymałość i odporność na korozję.

Dzięki swojej wytrzymałości sztuczne diamenty mogą zrewolucjonizować proces sekwencjonowania DNA i tym samym przyspieszyć diagnozowanie niektórych chorób. Do odczytywania kolejności nukleotydów w DNA wykorzystuje się tzw. nanopory. Są to odpowiednio zmodyfikowane i wyselekcjonowane białka rozmieszczone w malutkich otworach wytrawionych w szklanej membranie. Przez te białkowe bramy przepuszcza się strumień jonów będących nośnikiem prądu elektrycznego. Gdy przez bramkę przechodzi sekwencja nukleotydowa, przepływ prądu zostaje zakłócony, przy czym każda zasada azotowa blokuje go w charakterystyczny dla siebie sposób. Dzięki temu wiadomo, który z czterech nukleotydów – oznaczonych literami A, G, T i C – przedostał się w danej chwili na drugą stronę membrany. Wejścia do bramy pilnuje tzw. adaptator. Jest to białko, które najpierw wiąże się specyficznie z DNA, a następnie rozplątuje jego helisę, nadając określoną prędkość przechodzenia cząsteczkom kwasów nukleinowych przez membranę. Naukowcy z University of Warwick wpadli na pomysł, aby zastąpić dotychczasowe szklane membrany strukturami diamentopodobnymi i w nich wytrawić otwory. Dzięki temu uzyskano bardziej wytrzymały materiał o stałej i powtarzalnej geometrii porów. Pory można przy tym łatwo czyścić, co pozwala z kolei na wielokrotne użycie diamentowej membrany.

Rubin i aleksandryt

Inne kamienie szlachetne znalazły zastosowanie w produkcji laserów przydatnych m.in. w medycynie estetycznej. W laserze rubinowym jako ośrodka czynnego używa się kryształu rubinu, któremu nadaje się cylindryczny kształt. Rubin to nic innego jak tlenek glinu z niektórymi atomami glinu zastąpionymi jonami chromu. Aktywne w laserze rubinowym są tylko te ostatnie. Absorbują one żółto-zieloną część widma światła, emitując światło czerwone o długości fali 694,3 nm. Laser na bazie rubinu był pierwszym urządzeniem tego typu. Stworzył go amerykański fizyk Theodore Maiman w 1960 r. Używa się go głównie w dermatologii do usuwania tatuaży i przebarwień pigmentacyjnych. Na podobnej zasadzie działa laser aleksandrytowy, emitujący światło o długości fali 755 nm. Stosuje się go m.in. do usuwania przebarwień słonecznych oraz niektórych wrodzonych zmian barwnikowych, np. przebarwienia typu café au lait.

Złoto północy

Chociaż bursztyn nie jest kamieniem szlachetnym, to warto o nim tutaj wspomnieć. O zastosowaniu bursztynu do celów medycznych pisał bowiem już Pliniusz Starszy. Według jego doniesień żywicę tę stosowano do zapobiegania zapaleniu migdałków i bólom gardła, leczono nią problemy urologiczne, kaszel, suchoty, biegunkę, a nawet palpitacje serca i bezpłodność. Bursztyn znany był także z tego, że opóźniał procesy krzepnięcia krwi. Dlatego wykonywano z niego elementy niezbędne do jej transfuzji. Tego typu sprzętu używano m.in. w Niemczech podczas II wojny światowej.

W połowie XVI w. udało się za pomocą tzw. suchej destylacji wyizolować składniki bursztynu, tj. terpentynę, kalafonię, kwas i olej bursztynowy. Ten ostatni uważano za najcenniejszy w tym zestawie. Zalecany był przy syfilisie, kamieniach nerkowych i przeziębieniu. Z kolei kwas bursztynowy miał pomagać w dolegliwościach histerycznych, apopleksji nerwowej i paraliżach. Wiara w dobroczynne działanie żywicy okazała się częściowo uzasadniona. Potwierdzono, że kwas działa jak biostymulator, który pobudza układ nerwowy, reguluje pracę nerek i jelit oraz jest środkiem przeciwzapalnym i antytoksycznym. Obecnie kwas bursztynowy można znaleźć w maściach i kremach na dolegliwości reumatyczne, astmatyczne, schorzenia oskrzeli, gardła i tarczycy. Zarówno kwas, jak i olej łagodzą skutki oparzeń oraz ukąszeń owadów.

Co ciekawe, w latach 90. XX w. Instytut Biopolimerów i Włókien Chemicznych w Łodzi opracował metodę produkcji modyfikowanego bursztynem włókna przeznaczonego na wyroby o właściwościach antyreumatycznych. Z niezwykłej przędzy wykonuje się rajstopy, skarpety oraz pasy lędźwiowe. Dalsze badania nad tymi włóknami (przeprowadzone już na Łotwie) wykazały, że mają one właściwości antybakteryjne i termoizolacyjne. W związku z tym w 2016 r. opracowano technologię, dzięki której udało się wbudować mikrocząstki bursztynu w poliamid i wykonać z niego nici mogące w przyszłości znaleźć zastosowanie w chirurgii naczyniowej.

Uniwersalny lek

O ile bursztyn może jedynie łagodzić dolegliwości reumatyczne, o tyle złotem można leczyć chorobę, która je wywołuje. Już na przełomie XIX i XX w. zaczęto intensywnie badać właściwości związków złota w terapii reumatoidalnego zapalenia stawów. Ze wszystkich testowanych specyfików największą popularność zyskał lek o nazwie auranofin. Mechanizm terapeutycznego działania soli tego metalu szlachetnego nie został do końca wyjaśniony, ale wiadomo, że lek zmienia metabolizm i funkcje komórek zapalnych. Na efekty leczenia auranofinem trzeba było czekać nawet kilka miesięcy i często występowały efekty uboczne, ale i tak specyfik był mniej toksyczny niż inne związki złota. Dziś auranofin został wyparty przez metotreksat i jest stosowany tylko wtedy, gdy zawiodą inne środki. Nie oznacza to, że świat medycyny o nim zapomniał. Wręcz przeciwnie…

W ostatnich latach prowadzono intensywne badania nad zastosowaniem auranofinu w terapii HIV i AIDS. Udowodniono, że wewnątrzkomórkowe stężenie złota może osiągnąć wartości na tyle wysokie, że hamuje replikację wirusa! Analizy przeprowadzono na małpach, ale w Brazylii trwają pierwsze próby kliniczne na ludziach zarażonych tym wirusem. Co więcej, amerykańskie badania sprzed kilku miesięcy, przeprowadzone na Georgia State University, wykazały, że auranofin może hamować replikację SARS-CoV-2, wirusa odpowiedzialnego za wywoływanie COVID-19, w hodowli komórkowej. Specyfik może również zmniejszyć stan zapalny wywołany zakażeniem. Czas pokaże, czy złoto okaże się lekiem, na który czeka cały świat.

Metalem w raka

Auranofin badano również pod kątem terapii nowotworowej. Naukowcy wykazali, że zarówno on, jak i wiele innych związków złota hamuje wzrost ludzkich komórek rakowych, a ich skuteczność porównywalna jest z aktywnością cisplatyny. Cisplatyna to lek powszechnie stosowany w chemioterapii. Do użytku został dopuszczony w 1978 r. Jak sama nazwa wskazuje, cisplatyna to pochodna platyny, należącej do metali szlachetnych. Początkowo stosowano ją do leczenia raka jąder i jajników, ale z czasem zaczęto jej używać także w terapii innych nowotworów. Działanie cisplatyny polega na oddziaływaniu z materiałem genetycznym komórki. Lek reaguje z DNA, prowadząc do jego rozpadu, co z kolei uniemożliwia podział komórki. Zaburzenie podstawowych procesów biologicznych rozpoczyna apoptozę. Działanie cisplatyny dotyczy szczególnie komórek szybko dzielących się, czyli nowotworowych.

Ze stosowaniem cisplatyny wiąże się ryzyko wystąpienia szeregu działań niepożądanych. Dlatego duże nadzieje pokłada się m.in. w nanotechnologii. Opracowywane są strategie, w których odpowiednio zmodyfikowane nanocząstki najpierw rozpoznałyby komórki rakowe, a następnie zaaplikowały lek bezpośrednio w nowotwór. Pozwoliłoby to oszczędzić zdrowe tkanki i tym samym zniwelować skutki uboczne chemioterapii. Jeden z ciekawszych pomysłów zakłada umieszczenie cisplatyny we wnętrzu nanorurek węglowych uzbrojonych w receptory komórek nowotworowych. W ten sposób bezpiecznie zapakowany lek zostałby uwolniony dopiero po dotarciu do chorobowo zmienionego miejsca, omijając zdrowe komórki w całym organizmie. Inna strategia polegałaby na użyciu odpowiednio zmodyfikowanych nanocząstek złota czy srebra. Po dotarciu do celu drobiny zostałyby poddane działaniu światła podczerwonego, co wprawiłoby je w drgania. Powstałaby energia cieplna, która dosłownie usmażyłaby komórki nowotworowe.

Kolejnym trendem jest poszukiwanie związków metali szlachetnych innych niż platyna czy złoto. Na całym świecie prowadzi się eksperymenty z wykorzystaniem rutenu, rodu czy irydu. Rok temu na University of Warwick opracowano bardzo ciekawą metodę walki z rakiem za pomocą hybrydy irydu i albuminy. Niezwykłe połączenie jest tzw. fotosensybilizatorem, czyli związkiem chemicznym mającym zdolność do pochłaniania energii promieniowania świetlnego i przekazywania jej innym substancjom biorącym udział w reakcjach fotochemicznych. Zamaskowany w albuminie iryd niepostrzeżenie dostaje się do komórek w całym ciele. Jednak dopiero po naświetleniu hybryda uaktywnia się, upośledzając funkcje koenzymu zwanego dinukleotydem nikotynoamidoadeninowym (NADH), który odpowiada za generowanie energii niezbędnej organizmowi do przeprowadzenia szeregu procesów biochemicznych. Pozbawiona tego paliwa komórka obumiera. Terapia zakłada naświetlanie jedynie tkanek nowotworowych, co zminimalizuje skutki uboczne leczenia. Według badaczy technika ta będzie szczególnie skuteczna w leczeniu raka pęcherza, płuc, przełyku, mózgu i skóry.

Justyna Jońca
Z wykształcenia chemik. Zdobyła tytuł doktora nauk chemicznych na Uniwersytecie Paul Sabatier w Tuluzie. Ma 10-letnie doświadczenie w badaniach naukowych obejmujących zagadnienia z chemii analitycznej, chemii materiałów oraz nanotechnologii. Popularyzacja nauki to jej pasja. Z miesięcznikiem „Wiedza i Życie” współpracuje od 2016 r.

***

Srebrem w mikroby

Z antybakteryjnych właściwości srebra i jego związków korzystano już w starożytności. O leczeniu ran i wrzodów tym metalem donosił bowiem już Hipokrates. Praktyka ta stosowana była aż do przełomu XIX i XX w. Opatrunki ze srebrem wykorzystywano np. podczas I wojny światowej, aby zapobiec infekcjom u rannych żołnierzy. Co ciekawe, zanim pojawiły się syntetyczne nici chirurgiczne, do zszywania ran używano cienkich drutów wykonanych z tego cennego metalu. Popularność srebra spadła wraz z pojawieniem się antybiotyków. Niemniej w ostatnich latach z powodu zjawiska antybiotykooporności znów cieszy się ono zainteresowaniem. Poza nielicznymi przypadkami nie stwierdzono bowiem zjawiska uodporniania się bakterii na działanie srebra.

***

Piękna jak Kleopatra

Odmładzające właściwości złota są znane od wieków. Japonki, chcąc uzyskać efekt nieskazitelnej rozjaśnionej cery, używały pudrów ze sproszkowanym złotem. Z kolei Kleopatra poza słynnymi kąpielami w mleku stosowała także złotą maseczkę. Dziś wiemy, że egipska królowa zawdzięczała swoją urodę zdolnościom złota do hamowania starzenia się skóry (poprzez zapobieganie tworzeniu się wolnych rodników i niszczeniu kolagenu). Obecnie wiele firm opracowuje kremy przeciwzmarszczkowe na bazie złota, zwłaszcza w formie nanocząstek, które dzięki swoim rozmiarom przenikają w głąb skóry i tam naprawiają szkody wyrządzone przez czas.

01.02.2021 Numer 2/2021

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną