Obetavne raziskave za zdravljenje raka

S staranjem prebivalstva v sodobnih družbah postaja rak ena najpogostejših bolezni sodobnega časa. Čez nekaj desetletij naj bi za različnimi oblikami raka bolehala tretjina žensk in polovica moških. Samo v Sloveniji po podatkih Onkološkega inštituta Ljubljana vsako leto za rakom na novo zboli najmanj 16.000 ljudi, več kot 6500 pa jih umre.

Z napredkom tehnologij v diagnostiki, različnimi presejalnimi programi za zgodnje odkrivanje raka ter napredkom pri metodah zdravljenja raka se petletno čisto preživetje bolnikov po izvedenih analizah v slovenskem prostoru nenehno povečuje. Pomembno vlogo pri tem imajo tudi nove metode zdravljenja raka s hipertermijo, ki vključuje segrevanje obolelega tkiva.

Termična analiza kot metoda karakterizacije

Termična analiza kot eno izmed področij znanosti o materialih omogoča številna nova odkritja pri karakterizaciji materialov, njena široka uporabnost pa se kaže na primer v anorganski in organski kemiji, tehnologiji polimerov, tekstilni industriji, proizvodnji goriv in maziv, steklarski industriji, živilski tehnologiji, agrokemiji, farmaciji in v medicinski kemiji.

V Laboratoriju za anorgansko kemijo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru pod vodstvom doc. dr. Irene Ban sodelavci doc. dr. Mojca Slemnik, doc. dr. Janja Stergar, Sabina Vohl in izr. prof. dr. Matjaž Kristl razvijamo sodobne metode za sintezo anorganskih materialov, s posebnim poudarkom na magnetnih nanodelcih. Tovrstni materiali so zaradi svojih edinstvenih lastnosti predmet intenzivnih raziskav v širšem znanstvenem prostoru, saj se uporabljajo na mnogo področjih, od dostave zdravil in terapevtske hipertermije do polprevodnikov in fotovoltaičnih celic. Med različnimi metodami, ki jih uporabljamo za karakterizacijo lastnosti tako pridobljenih snovi, je posebej pomembna termična analiza.

Doc. dr. Janja Stergar in izr. prof. dr. Matjaž Kristl, raziskovalca v Laboratoriju za Anorgansko kemijo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru, ob najsodobnejšem sistemu za termogravimetrično analizo Mettler TGA2. FOTO: Miloš Vujinović  

Najpogostejši in najbolj univerzalni termični metodi glede na merjeno veličino sta zagotovo termogravimetrična analiza (TGA) in diferencialna dinamična kalorimetrija (DSC).

Pri tehniki TGA spremljamo maso vzorca v odvisnosti od temperature. Z izjemo nekaterih termično inertnih anorganskih materialov se ob segrevanju masa večine snovi spreminja zaradi izhajanja hlapnih komponent, desorpcije, oksidacije ali kemične razgradnje. Z metodo DSC pa merimo toplotni tok, ki je potreben za izenačevanje razlik v temperaturi med vzorcem in inertno referenčno snovjo, kar je posledica endotermnih ali eksotermnih fizikalnih ali kemijskih sprememb, ki se zgodijo pri segrevanju oziroma ohlajanju vzorca (taljenje, sublimacija, izparevanje, oksidacija, razpad). Pogosto uporaba ene same metode ni dovolj, zato je za pridobitev kakovostnih rezultatov treba uporabiti kombinacijo različnih termičnih metod, najpogosteje prav metod TGA in DSC.

Polnjenje aluminijastega lončka z vzorcem bakrove koordinacijske spojine za analizo z metodo diferenčne dinamične kalorimetrije na sistemu Mettler DSC3. FOTO: Miloš Vujinović    

Z magnetno hipertermijo nad rakave celice

Eno bolj zanimivih in v prihodnost usmerjenih področij uporabe sistemov za termično analizo je razvoj biokompatibilnih magnetnih nanodelcev, primernih za ciljano dostavo zdravil in hipertermijo. Na tem področju intenzivno sodelujemo z Inštitutom za biomedicinske vede Medicinske fakultete Univerze v Mariboru pod vodstvom izr. prof. dr. Uroša Mavra. Znano je, da je rak velik zdravstveni in družbeni problem po vsem svetu, pri čemer incidenca vztrajno narašča. Poleg utečenih metod zdravljenja (kirurški posegi, obsevanje, kemoterapija) je postala hipertermija ena obetavnejših alternativnih metod zdravljenja rakavih obolenj.

Pod pojmom hipertermija v medicini razumemo metodo zdravljenja, pri kateri rakaste celice uničujemo s segrevanjem obolelega tkiva nad normalno temperaturo. Raziskave so namreč pokazale, da se rast rakastih celic ustavi pri temperaturah, višjih od 42 stopinj Celzija, poškodba zdravih celic pa je pri tej temperaturi minimalna. Najbolj usmerjena med metodami hipertermije je lokalizirana hipertermija, pri kateri gre za ogrevanje manjših površinskih tumorjev. Pri tej metodi tumorje obsevamo z aparaturami, ki proizvajajo elektromagnetno valovanje, z ultrazvokom ali pa obolelemu tkivu dovedemo ustrezne magnetne nanodelce, ki jih nato izpostavimo izmeničnemu magnetnemu polju. V tem primeru govorimo o magnetni hipertermiji, ki je osrednje področje naših raziskav. Največja prednost magnetne hipertermije je dejstvo, da je toplotna energija ustvarjena znotraj točno določenega prostora, saj segrevanje povzročimo z uporabo magnetnih delcev pod vplivom zunanjega izmeničnega magnetnega polja, ki deluje induktivno na magnetne nanodelce, ki spremenijo energijo izmeničnega magnetnega polja v toplotno energijo. Osnovna slabost te metode je potreba po natančni regulaciji temperature obsevanega tkiva, da preprečimo poškodbe zdravega tkiva in druge stranske učinke nekontroliranega pregrevanja telesa. Temperaturo znotraj obsevanega tkiva načeloma lahko nadzorujemo s frekvenco in jakostjo magnetnega polja, vendar je taka regulacija težavna. Kot rešitev se ponuja sinteza magnetnih nanodelcev s Curiejevo temperaturo, ki je čim bližja terapevtski temperaturi.

Evalvacija rezultatov termogravimetrične analize, opravljene s sistemom Mettler TGA2, s pomočjo programskega paketa STAR. FOTO: Miloš Vujinović  

Curiejeva temperatura je definirana kot temperatura, pri kateri delci izgubijo svoje magnetne lastnosti in se ne odzivajo več na izmenično magnetno polje. Takšni delci sami regulirajo temperaturo, saj se nad Curiejevo temperaturo gretje prekine. Z uporabo modificiranega aparata za termogravimetrično analizo (TGA) smo v Laboratoriju za anorgansko kemijo Univerze v Mariboru razvili preprosto in učinkovito metodo za merjenje Curiejeve temperature, ki jo redno uporabljamo pri karakterizaciji magnetnih nanodelcev, sintetiziranih z različnimi naprednimi metodami: nad tehtnico namestimo močan permanentni magnet in merimo spremembo magnetizma v odvisnosti od temperature. Temperaturo, pri kateri material preide iz feromagnetnega v paramagnetno stanje, torej temperaturo, kjer izgubi magnetne lastnosti, lahko določimo kot maksimum na krivulji prvega odvoda na modificirani krivulji TGA.

Najpomembnejše sintezne metode, ki se uporabljajo za pridobivanje magnetnih nanodelcev, primernih za uporabo v magnetni hipertermiji, so metoda obarjanja oziroma soobarjanja, hidrotermalna sinteza, sinteza v mikroemulzijah, mehansko mletje in postopek sol-gel. Magnetne nanodelce, ki se najpogosteje omenjajo v raziskavah na področju hipertermije, po njihovi kemijski sestavi delimo v tri skupine, in sicer na binarne kovinske zlitine, feritne materiale in železove okside. Ključna kriterija pri izbiri materiala sta ustrezna vrednost Curiejeve temperature, ki mora biti čim bližje terapevtski temperaturi, ter biokompatibilnost delcev in njihova obstojnost v organizmu. Na Curiejevo temperaturo lahko v primeru binarnih zlitin vplivamo s kemijsko sestavo, v primeru železovih oksidov pa pretežno z velikostjo delcev, ki ne sme presegati 10 nanometrov.

Najsodobnejši raziskovalni sistem

Prvi aparat za termično analizo smo v laboratoriju uporabljali že v 80. letih preteklega stoletja. Dve desetletji pozneje smo nabavili napravo za termično analizo naslednje generacije TGA/SDTA851^e. V sklopu projekta RIUM je laboratorij pridobil vrhunsko raziskovalno opremo za termično analizo, ki izboljšuje razmere za raziskovalno in pedagoško delo ter omogoča kakovostnejšo karakterizacijo materialov. Oprema omogoča tudi opravljanje meritev za člane drugih oddelkov matične fakultete, drugih fakultet Univerze v Mariboru in zunanje naročnike. Novi sistem TGA – DTA za čiste vzorce je sestavljen iz dveh aparatov, TGA 2 in DSC 3, ameriško-švicarskega proizvajalca Mettler Toledo.

Vstavljanje keramičnih lončkov v nosilec, ki omogoča avtomatizirano analizo s pomočjo robota na sistemu za termogravimetrično analizo Mettler TGA2. FOTO: Miloš Vujinović  

Aparat TGA 2 omogoča merjenje od sobne temperature do temperature 1100 stopinj Celzija, s hitrostjo segrevanja od 0,02 do 150 °C/min., maso vzorca od nekaj miligramov do 5 gramov in vrhunsko natančnostjo pri merjenju temperature in mase. Aparat DSC 3 zaradi vgrajenega sistema za hlajenje omogoča tudi meritve pri nizkih temperaturah (do –85 stopinj Celzija) in kontrolirano ohlajanje s hitrostjo do 50 °C/min., vgrajen keramični senzor pa s 56 termočleni zagotavlja maksimalno natančnost zajemanja podatkov o temperaturi in toplotnem toku.

Nova oprema omogoča merjenje v različnih atmosferah, na primer na zraku, v inertnih atmosferah (dušik, argon) ali v reaktivnih atmosferah (kisik), pri čemer je možno atmosfero med meritvijo spreminjati. Oba aparata krmilimo prek istega procesorja z isto programsko opremo, tako da dobljeni rezultati predstavljajo smiselno celoto. Dodana vrednost se izkazuje tudi v uporabnosti sistema za delo s študenti v sklopu magistrskih del, pri temeljnih raziskavah v okviru raziskovalnega programa Fizikalno-kemijski pojavi na površinskih plasteh in uporaba nanodelcev (ARRS P2-0006) ter pri skupnih raziskavah z drugimi fakultetami Univerze v Mariboru, Fakulteto za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani, Institutom Jožef Stefan in predstavniki gospodarstva.

Pogled v prihodnost kot del družbene odgovornosti

Z vključitvijo najsodobnejšega sistema za termično analizo v proces dela smo bistveno izboljšali delovne razmere, kar nam omogoča, da bomo v prihodnje še uspešneje odkrivali in raziskovali nova področja. Hkrati bomo lahko prenašali najsodobnejše znanje na študente ter jim omogočili sodelovanje s partnerji, tako znotraj Univerze v Mariboru kot v slovenskem in širšem znanstvenem prostoru. Raziskovalci se zavedamo svoje družbene odgovornosti do okolja, v katerem živimo in delamo. V aktualnem obdobju prehoda v trajnostno prihodnost vidimo posebno vrednost prav v sodelovanju pri raziskavah, ki se osredotočajo na družbeno relevantne teme, kot so alternativne metode za zdravljenje rakavih obolenj. Raziskave na opisanem področju kažejo obetavne rezultate in odpirajo priložnost za razvoj povsem novih metod zdravljenja v prihodnosti.

———

Izr. prof. dr. Matjaž Kristl je predavatelj in raziskovalec na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru.