O oddziaływaniach nanocząstek z obiektami biologicznymi, potencjale i ryzyku związanym ze skalą 10^-9 oraz o tym co w związku z tym będzie dziać się w Łódzkim BioNanoParku opowiada Profesor Bogdan Walkowiak: fizyk pracujący w biologii i naukowiec działający w biznesie.

Biotechnologia.pl: Pana zespół stara się o patent na metodę identyfikacji powierzchni opartą na oddziaływaniach pomiędzy nanocząstkami i komórkami. Na czym ta metoda polega?

Prof. Bogdan Walkowiak: Nasza metoda pozwala rozróżnić zarówno skład chemiczny jak i strukturę powierzchni, ponieważ komórki, wydają się wykazywać swoistą odpowiedź na powierzchnię i materiał, na którym rosną. Nasz sposób identyfikacji polega na hodowaniu ich bezpośrednio na badanym materiale, lub w bezpośrednim kontakcie z nim, a nie na sprawdzaniu ich odpowiedzi na inkubowaną z materiałem pożywkę - tak jak na przykład podczas standardowych testów badających cytotoksyczność. Dzięki temu uzyskujemy informacje nie tylko odnośnie składu chemicznego materiału, ale także o wpływie jego struktury i rozdrobnienia na komórki. Dodatkowo sprawdzamy co się dzieje na powierzchni materiału.

Patentowana przez nas metoda polega na obserwacji proliferacji komórek oraz sprawdzaniu ichodpowiedzina warunki hodowli. O dziwo czasem okazuje się, że komórki lepiej rosną na testowanych materiałach, niż w kontrolnych hodowlach, ale mają mocno zmieniony transkryptom i proteom. Jeszcze nie wiemy czy to jest trwała zmiana, ponieważ do tej pory prowadziliśmy obserwacje w czasie do 48 godzin, a to za krótko dla sprawdzenia procesów adaptacyjnych. Istotną rzeczą jest jednak to, że wzór odpowiedzi jest swoisty dla powierzchni, na której komórka rośnie. Niezależnie od tego czy wzięte zostaną komórki śródbłonka, osteoblasty czy fibroblasty maja one pewną pulę genów, któretak samo odpowiadają na obecność zewnętrznych czynników stresujących i takie geny które odpowiadają specyficznie w stosunku do danego materiału. W komórce ludzkiej jestokoło30 000 genów, więc ilość możliwych kombinacji jest ogromna. Wydaje się, że komórki są w stanie rozpoznawać dany materiał tworząc określony wzór odpowiedzi. To właśnie te wzory odpowiedzi, a nie komórki (których zastrzec nie można), są obiektem naszego zgłoszenia patentowego.

Czy metoda ta jest prostsza lub tańsza niż tradycyjne metody identyfikacji?

Nie, zwykły materiał można zidentyfikować np. za pomocą analizy rentgenowskiej, która jest prostsza i tańsza. Wyobraźmy sobie jednak, że nie mamy do czynienia z homogennymi nanocząsteczkami czy nanostrukturami tylko z skomplikowanymi materiałami w których skład wchodzi pięć, lub więcej, różnych pierwiastków - jest to cel obecnych badań, które prowadzą do tworzenia nowych materiałów o unikalnych właściwościach. W tej sytuacji sprzęgane są nowe atomy i cząsteczki, tworzone są nowe struktury, które nie poddają się tak łatwo obecnie stosowanym technikom. W przypadku nowych, skomplikowanych nanomateriałów, nasza metoda może pomócw ich identyfikacji. W przeciwnym razie, po domieszkowaniu materiału nanocząstkami ich zidentyfikowanie zajęłoby bardzo dużo czasu lub byłoby wręcz niemożliwe!

Czy jeśli będziemy mieć dane dotyczące odpowiedzi komórek na pewną liczbę materiałów to możemy tą wiedzę ekstrapolować na kolejne?

Myślę że to jest droga którą trzeba będzie podążać, ale trzeba zwrócić uwagę na dane grupy materiałów. Odpowiedzi komórek będąprawdopodobnie charakterystyczne dla danej grupy związków chemicznych (np. tlenków metali), trochę tak jak w modelowaniu QSAR.

Wspomniał Pan, że nanocząstki są pochłaniane przez komórki śródbłonka i w związku z tym, w przypadku potencjalnych zastosowań terapeutycznych musiałyby być podawane w bardzo dużych ilościach lub trzeba by je humanizować.  Czy ich terapeutyczne użycie jest zatem możliwe? Z jakimi efektami ubocznymi się to wiąże?

Tak, trzeba wziąć po uwagę komórki śródbłonka, które „zjadają” obce substancje, są podobnie żerne jak makrofagi czy granulocyty. W związku z tym trzeba by podawać nano-terapeutyki w dużym nadmiarze, żeby założona dawka dotarła do komórek docelowych. Wówczas jednak niestety efekty uboczne byłyby ogromne, nastąpiłoby „zabrudzenie” całego organizmu zanim nanocząstka dotarłaby do celu. To nie jest ani ekonomicznie ani zdrowotnie uzasadnione.

Humanizowanie może być wyjściem z tej sytuacji. Polega ono na pokryciu danej nanocząstkisubstancjami rozpoznawanymi przez receptory na powierzchni komórek i układ immunologiczny jako swoje. Dzięki humanizowaniu nanocząstki nie byłyby eliminowane w organizmie, mogłyby być podawane w dużo mniejszej dawce i byłaby pewność, że dotrą do adresowanej tkanki.

Humanizowanie tak małych cząstek jest możliwe?

To prawda, że białka są duże w porównaniu z cząstkami o których myślimy, jednak do humanizacji nie trzeba stosować całego białka. Wystarczą kluczowe fragmenty – te rozpoznawane przez receptory na konkretnych komórkach. Oczywiście nie jest to proste w wykonaniu, ale jest to możliwa strategia działania.

Nanocząstki stosuje się do opłaszczania materiałów celem modyfikacji właściwości ich powierzchni. Są próby opłaszczania polidymetylosiloksanu cząstkami nanodiamentu, żeby stworzyć mikroreaktory do badań nad komórkami rakowymi tworzącymi guzy. Podczas konferencji BezpieczNA NOwoczesność wspominał Pan, że komórki pochłaniają cząstki mikrodiamentu – czy zatem jego obecność mogłaby zafałszować otrzymywane w takich warunkach wyniki badań naukowych?

To zupełnie inny przypadek. Inaczej zachowuje się warstwa wierzchnia, a inaczej sproszkowany materiał. Warstwa wierzchnia, zwłaszcza wykonana techniką plazmową, powstaje z wytworzeniem warstwy pośredniej i wiązań chemicznych – taki układ jest trwały. Nasz zespół badał reakcję komórek na proszki, czyli drobiny, w naszym przypadku mikrometrowe. Takie cząstki faktycznie są pochłaniane przez komórki śródbłonka.

Na tym polega potencjał nanotechnologii – każda forma i rozmiar diamentu zachowuje się trochę inaczej. Często spotykamy się ze stwierdzeniem, że węgiel jest bezpieczny, bo jest głównym składnikiem naszego ciała - ten pogląd jest niebezpieczny. Nanotechnologia dowodzi, że różne formy węgla mogą powodować niebezpieczne reakcje organizmów żywych, nie tylko odnoszę się tu do absorbowania sproszkowanego diamentu, wiadomo też o wpływie nanorurek węglowych na płuca – okazuje się, że nanorurki wbijając się w pęcherzyki płucne zachowują się trochę podobnie do azbestu. Zresztą, wiadomo przecież, że węgiel występuje w różnych toksycznych związkach jak np. w formie tlenku węgla.

Co w takim razie odpowiada za biozgodność danego materiału czy struktury?

Najprawdopodobniej za biozgodność odpowiada nie skład chemiczny, nie struktura, tylko konfiguracja elektronów na powierzchni cząstek, ich swoboda ruchu. Ostatecznie w formowaniu wiązań chemicznych biorą udział elektrony, a nie całe atomy. Musimy zacząć myśleć rozmiarami cząsteczki, atomu, a zapomnieć trochę o strukturze makroskopowej, gdzie rzeczy mają smak, czy kolor.

Dziękuję za rozmowę

Rozmawiała Anna Jeszka