Światło może być czynnikiem diagnostycznym i terapeutycznym – wykazują prace naukowców. Jednym z nich jest profesor Marek Samoć z Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej, który został laureatem konkursu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej „Mistrz 2013”.
Konkurs wspiera wybitnych uczonych. Co roku subsydia są przyznawane w innym obszarze nauki. Mistrz 2013 skierowany był do uczonych zajmujących się naukami chemicznymi i o materiałach. Trzyletni projekt profesora Marka Samocia „Nieliniowa nanobiofotonika: Badania nieliniowych procesów optycznych istotnych dla bioobrazowania i terapii indukowanych światłem prowadzone w domenie femtosekundowej” uzyskał finansowanie w kwocie 300 tysięcy złotych.
Temat pańskiego projektu pełen jest trudnych słów.
Jeśli mówię młodzieży o nazwach, które stosujemy, to wyjaśniam, że kryją one pewną istotną treść. Odnoszą się do potencjalnych zastosowań promieniowania elektromagnetycznego w biologii i medycynie. Stąd „bio” połączone z „fotoniką”.
To, na czym chciałbym się skupić korzystając z tego grantu, to oddziaływanie krótkich impulsów światła z pewnymi strukturami, w których występuje agregacja (łączenie się cząstek w większe struktury). W pracach różnych autorów, także moich, jest co najmniej kilka wskazówek, że w pewnych okolicznościach agregacja elementów może prowadzić do silnego wzmocnienia ich właściwości nieliniowych.
Czy nieliniowe procesy optyczne to zjawiska, które można zaobserwować w życiu codziennym?
Niewiele osób zdaje sobie sprawę, że używane podczas wykładów proste wskaźniki laserowe, które świecą zielonym światłem, też działają na zasadzie nieliniowego efektu podwajania częstości. Na początku układu znajduje się dioda laserowa, która emituje promieniowanie podczerwone. Oświetla ona kryształek, w którym znajdują się jony neodymu emitujące fale o długości 1060 nm (zakres podczerwieni). Kolejny kryształek podwaja częstotliwość tego sygnału dając długość fali 530 nm, a więc światło zielone.
A jak przebiegają zjawiska w interesującym pana procesie agregacji?
Możemy obserwować, jak jeden ze składników procesu, np. barwnik, oddziałuje ze światłem laserowym. Charakteryzujemy tę właściwość za pomocą „przekroju czynnego”. Możemy powiedzieć, że jeden barwnik ma dwukrotnie większy przekrój czynny niż inny. To znaczy, że silniej oddziałuje ze światłem laserowym, a więc z naszego punktu widzenia jest lepszy. A co się stanie, gdy umieścimy obok siebie większą liczbę takich cząsteczek barwnika: dwie, dziesięć czy sto i utworzymy z nich agregat? Czy przekrój czynny będzie się po prostu sumował, czy też uzyskamy wzmocnienie tych właściwości? Prowadzone – także przeze mnie – badania wskazują, że następuje takie wzmocnienie. Nie znamy jeszcze granic tego zjawiska, nie wiemy, na ile można je wykorzystać. W badaniu problemu agregacji chodzi mi nie o wytworzenie nowego obiektu, ale o opisanie zasady wytwarzania takich obiektów.
Interesuje pana oddziaływanie z materiałem biologicznym. Może to dotyczyć z jednej strony „bioobrazowania”, czyli obserwacji obiektów biologicznych, a z drugiej oddziaływania o charakterze leczniczym.
Tak, nastawiamy się na obserwację struktur biologicznych pod mikroskopem optycznym, by dokonać diagnozy lub by sprawdzić, w jaki sposób lek oddziaływuje z żywą tkanką, jak zachodzą procesy biologiczne, terapeutyczne itd. Chodzi nam o zastosowanie do tego celu zasad fotoniki i nanoobiektów.
Czym wyróżnia się stosowane tu promieniowanie?
Zastosowanie bardzo krótkich impulsów światła powoduje, że powstają wspomniane już efekty nieliniowe. Do obserwacji struktur biologicznych stosuje się najczęściej pewien typ mikroskopii optycznej, tzw. mikroskopię fluorescencyjną. Uzyskany obraz jest widoczny nie dzięki światłu przechodzącemu przez próbkę, ale emitowanemu przez nią. Można sobie np. wyobrazić, że do badanej próbki dodajemy barwnika, który wybarwia jej pewne wybrane części. Później umieszcza się nasz obiekt w polu promieniowania elektromagnetycznego, które pobudza barwnik do świecenia. Mikroskop obrazuje nam tę część obiektu, która emituje promieniowanie. Można w taki specyficzny sposób zabarwić np. błonę komórkową lub jądro komórki.
Czy dotyczy to tylko skali komórkowej?
Nie, bioobrazowanie można zastosować do większych obiektów, np. myszy, w której narządach, czy na skórze znajduje się barwnik gromadzący się w tkance rakowej.
Na czym polega terapia indukowana światłem?
Terapia fotodynamiczna jest znana od lat, choć mało jeszcze rozpowszechniona. Chodzi w niej o zastosowanie wobec pacjenta takiego barwnika/aktywatora („fotouczulacza”), który gromadzi się w specyficznych komórkach, na przykład w tkance rakowej. Im bardziej selektywnie zachodzi ten proces, tym lepiej. Wprowadzony do organizmu związek nie jest w stanie sam zniszczyć tkanki rakowej. Czynnikiem pobudzającym go do działania jest światło. Pod wpływem światła fotouczulacz aktywuje się. Mechanizm jego oddziaływania może być różny, ale często polega na aktywowaniu cząsteczek tlenu, które są obecne w organizmie żywym. Tlen przechodzi w formę reaktywną (np. tzw. tlen singletowy o zerowym momencie magnetycznym), która zabija komórki rakowe. Można tak leczyć raka skóry, którą łatwo poddać naświetlaniu.
Jaki zakres długości fal promieniowania się stosuje?
Do klasycznej terapii stosuje się światło z zakresu czerwieni, bo jest ono stosunkowo dobrze transmitowane przez tkanki i może aktywizować pewne fotouczulacze. Można też użyć nieco dłuższych fal (z zakresu podczerwonego), wysyłanych w formie bardzo krótkich, femtosekundowych impulsów światła. Są one bardzo dobrze transmitowane przez tkankę. Pozwala to kontrolować, co się dzieje w tkance, a jednocześnie obserwować tę tkankę jakąś metodą optyczną i jej fluorescencję pochodzącą z wprowadzonego uczulacza. Mówi się dziś o teranostyce, czyli połączeniu terapii i diagnostyki. To szerokie zagadnienie, którego tylko wycinek wiąże się z naszą pracą. Nas interesuje sam proces fizyczny oddziaływania światła laserowego z substancjami, które potencjalnie nadają się do zastosowania w teranostyce. Mogą to być np. nanocząstki metalu czy półprzewodnika lub bardziej złożona nanostruktura, np. mająca rdzeń z jednego materiału, a pokryta innym, do tego z dołączonymi na powierzchni rozmaitymi biologicznymi grupami, które pomagają nanocząstce w znalezieniu właściwego miejsca, a więc np. w selektywnym wiązaniu się z komórką rakową. Chcemy dowiedzieć się, w jaki sposób nanocząstka oddziałuje ze światem, jak można ją aktywować i jak obserwować metodami zaawansowanej mikroskopii.
Mamy system laserowy, który kupiliśmy ze środków przyznanych z programu Welcome. Stosujemy bardzo krótkie impulsy światła o dużej mocy, dzięki czemu osiągamy dużą intensywność światła. To pozwala osiągnąć efekty nieliniowe. Typowym przykładem zjawisk nieliniowych może być absorpcja wielofotonowa, a więc pochłanianie światła po dwa lub kilka fotonów naraz, co prowadzi do absorpcji takich długości fal, które w normalnych warunkach nie są absorbowane. Dotyczy to choćby wspomnianego promieniowania podczerwonego, którego absorpcja następuje tylko przy krótkich impulsach i silnie skupionych wiązkach.
Czy używa pan w badaniach materiału biologicznego?
Na razie nie doszliśmy do tego, by badać prawdziwe żywe komórki. Ale interesują nas pewne substancje pochodzące z układów biologicznych. Badamy na przykład struktury ciekłokrystaliczne, które można wytworzyć z DNA. Chcemy dowiedzieć się, jak światło laserowe oddziałuje z tymi strukturami i jak można je scharakteryzować.
Jak to wygląda w praktyce?
Przykładem może być opisane przez nas w publikacji dla pisma Nanoscale doświadczenie na nanoprętach ze złota, które umieszczono w strukturach ciekłokrystalicznych DNA. Wykazano, że stosując metody absorpcji nieliniowej, a więc układ mikroskopowy oparty na laserze femtosekundowym, można obserwować orientację nici DNA, ich ułożenie w przestrzeni, a także wzajemne oddziaływania. Laser w tym wypadku wzbudza złote nanopręty, które są w stanie luminezować, a więc emitować światło w stanie zimnym. Luminescencja ta ma pewne charakterystyczne właściwości przestrzenne. Obserwacja polaryzacji światła emitowanego przez nanopręty pozwala wyciągać wnioski co do sposobu ułożenia nici DNA w przestrzeni. To przykład wykorzystania światła do poznania „głębszych” danych o strukturze biologicznej materii.
Nie jest to jedyny projekt, który pan realizuje.
Ciągle mamy jeszcze projekt Welcome, także inne granty. Jestem kierownikiem międzynarodowego grantu NCN „Harmonia”. Moi współpracownicy też pracują nad grantami, które dotyczą pewnych aspektów nanofotoniki czy biofotoniki.
Kiedy będziemy projektować materiały według szczegółowych potrzeb?
Wiele już umiemy, ale pewnych wiadomości ciągle nam brak, tak jak w przypadku wspomnianego zjawiska agregacji. Do końca jeszcze nie rozumiemy, jak agregacja wpływa na właściwości. Jeżeli uda się nam pokazać, jaka jest ogólna reguła, wykorzystamy ją zapewne do tworzenia lepszych materiałów. Chemik teoretyk może już dziś zaprojektować na ekranie nową cząsteczkę, policzyć jej właściwości i stwierdzić, że będzie ona lepsza od dotychczas stosowanych. Jednakże teoria może okazać się nieprecyzyjna, cząsteczka może ujawnić jakieś niepożądane właściwości, albo po prostu jej wytworzenie może okazać się za drogie. Kiedyś napisałem z moim australijskim kolegą pracę na temat „merit factors”, czyli kryteriów jakości rozmaitych substancji stosowanych jako absorbery nieliniowe. Jako jeden z czynników zaproponowaliśmy wskaźnik uwzględniający koszt wytworzenia odpowiedniej ilości substancji takiego absorbera. Doszliśmy do wniosku, że czasem stworzenie nowego materiału o cennych właściwościach wymagałoby sfinansowania bardzo długotrwałej pracy wielu ludzi o specjalistycznej wiedzy. Zbyt wielu i zbyt długo, by się to opłacało!
Więc zapytam: jaki jest skład pańskiego zespołu?
To wspaniali ludzie. Trójka najbliższych współpracowników to dwoje adiunktów: dr Katarzyna Matczyszyn i dr Marcin Nyk oraz asystentka z doktoratem dr Joanna Olesiak-Bańska. Pracuje też z nami sześcioro doktorantów. Jednakże większość z nich robi doktorat w systemie co-tutelle lub pokrewnym, a więc mają drugiego promotora za granicą. Połowę czasu spędzają np. w ENS Cachan we Francji czy na Chalmers University w szwedzkim Goeteborgu.
Rozmawiała Maria Kisza