SZ nr 26–33/2015z 9 kwietnia 2015 r.
Doktor grafen
Marek Matacz
Ma prostą budowę, ale niezwykłe właściwości. Materiał, który swoim odkrywcom przyniósł Nagrodę Nobla, wkracza do medycyny.
Naukowcy z University of Manchester znaleźli nowy sposób na niszczenie macierzystych komórek nowotworowych. Uczeni badali grafenowe nanocząstki, a dokładnie płatki utlenionego grafenu, które mogą pomagać w dostarczaniu łączonych z nimi różnorodnych leków. Spotkało ich jednak spore zaskoczenie. – W naszej pracy, niespodziewanie to sam tlenek grafenu okazał się efektywnym lekiem antynowotworowym – mówi jeden z uczonych, dr Aravind Vijayaraghavan.
W eksperymentach przeprowadzonych na kulturach komórkowych, zbudowane z grafenu cząstki były bezpieczne dla zdrowych komórek, ale w dosyć niezwykły sposób hamowały rozwój guzów. – Nowotworowe komórki macierzyste wytwarzają masę komórkową, zwaną sferą guza. Zaobserwowaliśmy, że płatki z tlenku grafenu uniemożliwiały komórkom ich tworzenie, a zamiast tego zmuszały je do zmiany w nienowotworowe komórki macierzyste – tłumaczy dr Vijayaraghavan.
Badacze przetestowali działanie tlenku grafenu na hodowlach komórek raka piersi, trzustki, płuc, mózgu, jajnika i prostaty z podobnymi rezultatami, spekulują więc, że nowa metoda może być skuteczna w przypadku wielu, a być może nawet wszystkich rodzajów nowotworów.
Brzmi obiecująco, jednak grafen może pokazać medycynie wiele różnych twarzy.
Lepsze leki
Jego potencjalne możliwości wynikają z unikatowej budowy. Dla przypomnienia – ten odkryty stosunkowo niedawno materiał to warstwa o grubości jednego atomu, złożona z regularnie ułożonych, sześcioatomowych pierścieni atomów węgla. Jest niezwykle wytrzymały i doskonale przewodzi prąd oraz ciepło. Można go także łączyć z różnymi cząsteczkami, ale jest też stabilny chemicznie.
W 2013 roku badania nad grafenem wygrały obok „Human Brain Project” konkurs w ramach programu „Nowe Technologie i Technologie Przyszłości”. Na każdy z projektów przeznaczony został miliard euro.
Jedno z możliwych zastosowań, to wspomniane wcześniej precyzyjne dostarczanie leków do komórek. Potencjał takiego podejścia dobrze pokazują badania naukowców z North Carolina State University. Razem z badaczami z kilku innych ośrodków wytworzyli oni grafenowe „nanodywaniki”, przeznaczone do transportowania leków przeciwnowotworowych. Do każdej takiej nanocząstki dołączone zostały dwie substancje – ligand czynnika martwicy nowotworu indukujący apoptozę (TRAIL), który działa w kontakcie z błoną komórkową i doksyrubicyna (Dox), która powinna wniknąć do jądra komórkowego. – Te, wzbogacone o leki, grafenowe paski, mogą być w roztworze wprowadzone do krwi i podróżować przez układ krwionośny jak latające dywany w nanoskali – opowiada prof. Zhen Gu, główny autor pracy opisującej wynalazek. Co dalej dzieje się z „dywanikami”? Ponieważ naczynia wokół guza są mniej szczelne niż zdrowe, grafenowe cząstki przenikają do chorych komórek. Obecne na ich powierzchni receptory łączą się z cząsteczką TRAIL, a komórkowe enzymy niszczą peptyd łączący lek z grafenem. Po jego odłączeniu, komórka wchłania grafenową cząstkę razem z drugim lekiem. W kwaśnym środowisku komórki również odłącza się on od „dywanika” i trafia do jądra, czyli miejsca swojego przeznaczenia. Za pomocą grafenu, TRAIL pełni więc dwie role – przeciwnowotworowego leku i cząsteczki, która pomaga całemu kompleksowi połączyć się z chorą komórką i wprowadzić do niej drugi lek. Na razie, z obiecującymi wynikami, badacze przeprowadzili eksperymenty na myszach z ludzkim rakiem płuc.
Chipy i nanostruktury
Tak jak terapia, równie ważna jest diagnostyka. W przypadku nowotworów, grafen może okazać się bardzo przydatny także na tym polu. Pokazali to badacze z University of Michigan, którzy stworzyli urządzenie do „płynnej biopsji”, czyli wyłapywania pojedynczych komórek nowotworowych, krążących swobodnie we krwi. To trudne zadanie, szczególnie we wczesnym stadium choroby, a chodzi właśnie o jak najszybszą diagnostykę.
Dzięki grafenowi, na mikroprzepływowym chipie udało się skonstruować gęsty „las” molekularnych łańcuchów z przeciwciałami, które wychwytują poszukiwane komórki. – To tak, jakby każda cząstka grafenu miała wiele ramion do łapania komórek – wyjaśnia prof. Sunitha Nagrath, która kierowała badaniami. Uzyskane rezultaty okazały się znakomite. W próbkach krwi, które zawierały tylko kilka komórek nowotworowych na 5 do 10 miliardów, urządzenie chwytało średnio 73 proc. z nich, a w połowie przypadków wyłapane zostały wszystkie.
Aktywna powłoka
Grafen doskonale może sprawdzić się także wykorzystywany w skali makro, choć czasami modyfikowany w nanoskali. Na przykład naukowcy z University of California w Los Angeles i University of Michigan opracowali materiał, który zapobiega zakrzepom. W tym przypadku do grafenu badacze dołączyli dwa elementy – heminę i oksydazę glukozy. Jak opisują badacze, w kontakcie z krwią wspólne, katalityczne działanie tych cząsteczek prowadzi do powstawania nitroksylu, który działa w naczyniach podobnie do tlenku azotu i przeciwdziała powstawaniu zakrzepów. Materiał miałby znaleźć zastosowanie jako pokrycie cewników, zastawek serca, sztucznych naczyń i innych implantów, zwiększając ich biozgodność i bezpieczeństwo.
Tkanki i elektronika
Grafen może do medycyny trafić też bardziej pośrednio. To dlatego, że jest obecnie intensywnie badany pod kątem zastosowań w elektronice. Co może w ten sposób zdziałać, pokazuje na przykład projekt badaczy z paryskiego Université Pierre et Marie Curie i francuskiej firmy Pixium Vision. Uczeni pracują nad nową generacją „sztucznej siatkówki”. Wiele głównych komponentów przywracającego wzrok implantu, ze względu wytrzymałość giętkość, doskonałe właściwości elektryczne i bardzo dobrą biokompatybilność grafenu, mają być wykonane właśnie z niego.