SZ nr 26–33/2015z 9 kwietnia 2015 r.
Stuknij na okładkę, aby przejść do spisu treści tego wydania
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.