logo
FA 03/2020 Życie naukowe

Mariusz Karwowski

Inteligentne leki

Fot. Arch. prywatne

Zastosowanie materiałów węglowych jako nośników leków pozwala zredukować liczbę wywoływanych przez nie efektów ubocznych oraz wydłużyć czas ich działania w organizmie.

Raz, dwa, a niekiedy trzy razy na dobę. Nie częściej niż co cztery godziny. Przed lub w trakcie posiłku. Do tego koniecznie szklanka wody. Sięgając do domowej apteczki należy pamiętać, że choć o powodzeniu farmakoterapii w największym stopniu decyduje dobór właściwego leku, to nie mniej istotne jest przestrzeganie przez chorego zaleceń co do sposobu jego zażywania. Zwłaszcza że przy różnych dolegliwościach wzmocnienie bądź osłabienie działania odmiennych preparatów zależy od wielu czynników. To przede wszystkim odpowiednie dawkowanie, nieprzekraczające dopuszczalnego poziomu stężenia leku w organizmie, ale też pilnowanie godzin przyjmowania, by substancje czynne zdołały się uwolnić, oraz ograniczenie spożywania produktów niekorzystnie wpływających na wchłanianie lekarstw. A gdyby te wszystkie wytyczne zaprogramować na odpowiednim nośniku, który sam sterowałby umieszczonym na nim medykamentem? Takie „inteligentne leki” to już całkiem nieodległa przyszłość. Zainteresowanie naukowców budzą szczególnie uporządkowane węgle mezoporowate.

Między 2 a 50 nm

To materiały, które wbrew pozorom nie należą do paliw kopalnych. Pozyskuje się je na drodze syntezy – metodami twardego i miękkiego odwzorowania – w trakcie której możliwa jest precyzyjna kontrola ich powierzchni właściwej oraz średnicy i objętości powstających porów. O ile w przypadku węgli mikroporowatych pory mają nie więcej niż 2 nanometry, a mikroporowatych powyżej 50 nanometrów, o tyle w mezoporowatych mieszczą się w zakresie pomiędzy tymi wartościami. Dzięki temu idealnie nadają się np. do wychwytywania zanieczyszczeń, zwłaszcza barwników syntetycznych. Z racji złożonej struktury i stabilności barwniki takie, stosowane w niemal każdym przemyśle, po przedostaniu się do wody stanowią poważne zagrożenie toksykologiczne dla ekosystemu. Zapobiegać mu mogą filtry na bazie węgli mezoporowatych. Również w kosmetyce, gdzie poprzez maseczki czy kremy węgle mogą adsorbować całodzienne zanieczyszczenia powietrza z twarzy, nie miałyby sobie równych.

Unikatowe właściwości fizykochemiczne tych materiałów sprawiają, że ich potencjał aplikacyjny jest o wiele większy. Mogłyby np. znaleźć zastosowanie w farmacji jako nośniki leków.

– Cel jest jasny: zwiększyć komfort chorego. Teraz, przyjmując leki w dawkach co kilka godzin, za każdym razem narażamy się na efekty uboczne. Można je zredukować przez zastosowanie materiałów węglowych jako nośników aktywnych substancji farmaceutycznych, które w dodatku wydłużają czas obecności i działania leku w organizmie – zapewnia prof. Joanna Gościańska z Zakładu Chemii Stosowanej na Wydziale Chemii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

Na ten oryginalny pomysł wpadła zaraz po obronie doktoratu, ale jej fascynacja nanomateriałami trwa znacznie dłużej. Tyle że wcześniej prof. Gościańska zajmowała się głównie mezoporowatymi krzemionkami oraz ich szerokim zastosowaniem w katalizie. Wiedziona ciekawością, spróbowała zrobić z nich… węgiel i zobaczyć, w jaki sposób będzie się on zachowywał. Jego synteza składa się z kilku etapów, ale nie jest zbyt skomplikowana. Na powierzchnię krzemionki wprowadza się rozpuszczoną uprzednio w wodzie sacharozę, dodając odrobinę kwasu siarkowego (VI). Tak zaimpregnowana krzemionka trafia do pieca, gdzie w temperaturze dochodzącej do 900 stopni i w atmosferze gazu obojętnego jest wygrzewana. Sacharoza na powierzchni krzemionki polimeryzuje. Powstaje kompozyt, pół-krzemionka, pół-węgiel, z którego za pomocą kwasu fluorowodorowego albo zasady sodowej krzemionkę się usuwa, a pozostały węgiel jest jej odwrotną repliką. Najczęściej przyjmuje morfologię krzemionki, wykazując się przy tym dużą porowatością. Przez to mezoporowate sita molekularne doskonale nadają się do selektywnego wychwytywania dużych cząsteczek w lekach.

Relegowanie króla?

W farmacji królował dotąd węgiel aktywny. Zetknął się z nim każdy, kto kiedykolwiek uległ zatruciu pokarmowemu. W wielu domach używano go, by oczyścił organizm z toksyn. Tyle że węgle mezoporowate mają wszelkie atuty, by godnie zastąpić dotychczasowe remedium. Uporządkowana struktura decyduje o ich wyjątkowych właściwościach, są nietoksyczne, biokompatybilne i dodatkowo w pełni odtwarzalne.

– W przypadku węgli aktywnych nie jesteśmy w stanie tego osiągnąć. Z pestek śliwki czy wiśni po karbonizacji, czyli wygrzewaniu w wysokiej temperaturze i odpowiedniej aktywacji, otrzymamy węgle o różnej strukturze porowatej. Zależy to m.in. od czynników typowo środowiskowych, np. gatunku drzewa, oraz warunków, w jakich przeprowadzimy wspomniane procesy. Tymczasem węgle syntetyczne charakteryzują się zawsze ściśle określoną, kontrolowaną strukturą i morfologią. Zachowują się tak, jak chcemy, co dla przemysłu nie jest bez znaczenia – przekonuje prof. Gościańska.

Jej pomysł polega na takim „zaprogramowaniu” nośnika na bazie węgli mezoporowatych, że umieszczony na jego powierzchni lek sam uwalniałby się w odpowiednim miejscu w organizmie. W zależności od potrzeb powierzchnię tę modyfikuje się różnymi grupami funkcyjnymi, które pozwolą na dopasowanie nośnika do konkretnego preparatu. Jako przykład moja rozmówczyni podaje popularny paracetamol. Leki przeciwbólowe, choć potrafią przynieść ulgę, mają także wady: są słabo rozpuszczalne albo długo wchłaniają się w organizmie. Tymczasem zastosowany przez nią nośnik zwiększył tę rozpuszczalność, a przy tym zminimalizował efekty uboczne działania paracetamolu. Wbrew obawom jedna zwiększona dawka zadziałała skuteczniej niż kilka mniejszych.

– Powierzchnię węgla modyfikowaliśmy różnymi grupami funkcyjnymi o charakterze zasadowym, które zaczęły współpracować z kwasowym paracetamolem. Po wprowadzeniu go na nośnik, udało nam się przez dobę uwalniać lek w sposób w pełni kontrolowany. Nawet lekarze byli zdumieni – opowiada poznańska chemiczka, w przypadku której określenie „matka wynalazków” nabiera rzeczywistego charakteru.

Jej zdaniem kobiety odzyskują dziś pozycję i choć często trudno im się wybić, to właśnie one są podporą nauki, wpływają na jej rozwój i dzięki kompetencjom stopniowo wspinają się na szczyty. Ona sama zajmuje się nie tylko lekami przeciwbólowymi, lecz także zapobiegającymi wysokiemu ciśnieniu (losartanem potasu) i – to największe wyzwanie – antybiotykami (tebipenem piwoksylu, ampicyliną). Ta ostatnia grupa jest najbardziej problemowa, ponieważ cechuje się znaczną nietrwałością chemiczną, co w praktyce oznacza bardzo szybki rozkład. Tak się jednak składa, że właśnie węgle syntetyczne, co pokazały wstępne badania, mogą zwiększać trwałość antybiotyków, pełniąc wówczas rolę swoistego stabilizatora.

Połknąć i zapomnieć

Do badań wybrano leki, które wymagają algorytmu częstego dawkowania i są już doskonale znane, a ich właściwości fizyko-chemiczne dobrze opisane. Prof. Gościańska wyszła z założenia, że lepiej udoskonalać, niż zaczynać od zera, tym bardziej, że w przypadku środków medycznych zajęłoby to dekady. Bazuje więc na tym, co już opracowano, dostosowując do tego wytwarzane przez siebie węgle mezoporowate. Ich właściwości muszą współgrać z substancją leczniczą i nie tłumić jej. Z drugiej strony to działanie nie może nastąpić zbyt szybko, zaraz po połknięciu tabletki, czyli tak jak teraz. Pacjent połykałby nośnik wraz z lekiem, którego substancja czynna uwalniałaby się w konkretnym miejscu w organizmie, np. w żołądku, w takich dawkach i odstępach czasowych, jakie zostałyby „zaprogramowane” za pomocą grup funkcyjnych obecnych na powierzchni węgla.

– Trudność polega na tym, by tak zmodyfikować węgiel, żeby nie uwalniał on leku od razu, lecz stopniowo, tylko wtedy, gdy chcemy – wyjaśnia prof. Gościańska i dodaje, że niekiedy czysty węgiel, bez żadnych grup funkcyjnych, okazuje się doskonałym nośnikiem leku, a innym razem konieczna jest jego dodatkowa „przeróbka”, by wykazał narzuconą selektywność, np. przy wychwytywaniu toksyn.

Testowanie odbywa się w symulowanym środowisku wewnętrznym organizmu, a więc w soku żołądkowym o odpowiednim pH, ślinie itd. Stworzony węgiel nie może stanowić żadnego zagrożenia toksykologicznego i musi być biokompatybilny, tak by po wypuszczeniu leku został bezproblemowo usunięty z organizmu.

W poznańskim ośrodku – w badania włącza się także Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego – trwają prace nad nośnikami leków doustnych, ale niewykluczone jest także ich użycie w różnego rodzaju maściach, kremach czy żelach przeznaczonych do stosowania miejscowego. Trwają próby z benzokainą, środkiem znieczulającym, przeciwbólowym, stosowanym miejscowo np. na skórę. Również w tym przypadku podstawowym zadaniem nośnika będzie systematyczne uwalnianie substancji czynnej z leku, bez konieczności wielokrotnego smarowania w ciągu dnia. Osiągnięcie tego celu z uwzględnieniem warunku, by małe cząstki węgla nie przenikały przez skórę, lecz utrzymywały się tylko na jej powierzchni, z naukowego punktu widzenia wydaje się dziś kluczowym zadaniem.

Jedno jest pewne: niezależnie od tego, w jakiej formie wraz z lekiem zostaną zaaplikowane, działanie węgli mezoporowatych pozwoli nie przejmować się już tym, kiedy przyjąć kolejną dawkę i w jakiej ilości. I by uwolnić od utrapienia każdego chorego, bohaterka tego tekstu wcale nie musiała spełniać innego marzenia – o zostaniu lekarzem.

Wróć