Jak leczyć nowotwory? Alternatywa dla chemioterapii
Zbadanie właściwości przeciwnowotworowych i cytotoksycznych in vitro nowej rodziny nano-kryształów 2D karbidków i azotków tytanu (faz MXenes) oraz ich wpływu na komórki – to główny cel projektu realizowanego przez dr hab. inż. Agnieszkę Jastrzębską z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej.
Jednym z ważniejszych zadań współczesnego społeczeństwa jest rozwiązanie problemu chorób nowotworowych. Skuteczność powszechnie stosowanej chemioterapii oraz rozwiązań polegających na bezpośrednim wnikaniu materiału terapeutycznego do komórek coraz częściej jest stawiana w wątpliwość. Dlatego naukowcy szukają innych rozwiązań. Podejście materiałowe w tym zakresie ma szansę zmienić dotychczasowe paradygmatyczne podejście.
– Chciałabym, że mój projekt przyczynił się do rozwoju alternatywnych do chemioterapii metod leczenia nowotworów i rozwoju nanomedycyny – mówi dr hab. inż. Agnieszka Jastrzębska.
W swoich badaniach wykorzystuje materiały o strukturze dwuwymiarowej (2D). W szczególny sposób koncentruje się na fazach MXenes – z uwagi na ich unikatowe właściwości fizyko-chemiczne i strukturę.
Czy 2D jest cenniejsze niż 3D?
– Właściwości materiałów 2D różnią się znacząco od ich odpowiedników 3D – wyjaśnia badaczka z Politechniki Warszawskiej. – Jednym z lepszych przykładów jest grafen i jego trójwymiarowy odpowiednik grafit oraz materiał opracowany nieco później – faza MXene.
Grafen jako struktura 2D jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła i prądu – jest transparentny i charakteryzuje się bardzo wysoką ruchliwością elektronów. Właściwości te znacząco odróżniają go od jego odpowiednika 3D – grafitu, nieprzezroczystego minerału, łupliwego i podatnego na ścieranie. Struktury 2D faz MXenes również posiadają unikatowe właściwości względem wyjściowych, dobrze znanych 3D. Do takich znanych od wielu lat struktur 3D należą związki Mn+1AXn z naprzemiennie ułożonymi warstwami metalu i niemetalu, zwane fazami MAX. Po raz pierwszy, zostały one w 2011 roku wykorzystane do otrzymania faz MXenes
Ta różnica we właściwościach struktur 2D i 3D sprawia, że wciąż poszukuje się sposobów na przekształcenie znanych warstwowych struktur trójwymiarowych w unikalne pod względem właściwości struktury dwuwymiarowe.
Obiecujące badania i ambitne plany
Nasze wstępne badania, potwierdzone danymi literaturowymi, wykazały możliwość ekspandowania faz MAX do MXenes poprzez usunięcie jednej warstwy pierwiastka ze struktury krystalicznej – tłumaczy dr hab. inż. Agnieszka Jastrzębska. – Ponadto, używając sonikacji w cieczy, potrafimy rozwarstwiać MXenes do struktur 2D karbidków lekkich metali przejściowych.
W swoim projekcie badaczka z PW wraz z zespołem zamierza zbadać dwuwymiarowe nano-kryształy karbidków i azotków tytanu o różnej stechiometrii (Ti3C2, Ti2C, Ti2N czy Ti4N3).
– Zostały one wybrane spośród bardzo licznej grupy faz MXenes jako obiecujące w kontekście poszukiwania potencjalnych leków przeciwnowotworowych – zaznacza dr hab. inż. Agnieszka Jastrzębska. – Posiadają one bardzo ciekawe właściwości, różniące je od np. grafenu. Dotyczy to przede wszystkim łatwej możliwości projektowania tzw. „inteligentnej” struktury tj. adaptującej się do istniejących warunków środowiskowych, aktywnie oddziałującej z miejscem wymagającym terapii, a następnie ulegającej całkowitemu rozpadowi i usunięciu z organizmu. Należy tutaj zaznaczyć, że również bardzo mocno koncentrujemy się na potencjalnej cytotksyczności. W przeciwieństwie do obecnego podejścia opartego na wnikaniu do wnętrza komórki, nasze nanostruktury 2D nie mają takiego zadania, ponieważ taka sytuacja praktycznie zawsze wywołuje stres oksydacyjny. Nam zależy na tym, aby struktury terapeutyczne koncentrowały się i działały w obszarze objętym chorobowo nie zagrażając leczonym komórkom. Zdolność do aktywnego działania MXenes poza komórką w zupełności wystarczy, aby uzyskać pożądany efekt terapeutyczny.
W planach są badania podstawowe interakcji nano-kryształów 2D faz MXenes oraz komórek nowotworowych i prawidłowych in vitro. Dzięki temu dowiemy się, jaki jest wpływ ich właściwości na obserwowane mechanizmy.
W projekcie zostaną wykorzystane także metody numeryczne. Będą cennym uzupełnieniem badań eksperymentalnych, a to pozwoli m.in. skrócić czas i zmniejszyć koszty testów.
Rozwój zespołu
– Projekt ma na celu również stworzenie nowego zespołu badawczego skoncentrowanego wokół innowacyjnych rozwiązań naukowych – wyjaśnia dr hab. inż. Agnieszka Jastrzębska. – Jest to niepowtarzalna szansa dla młodego naukowca na zbudowanie go praktycznie od podstaw.
– Dzięki uzyskaniu finansowania, mój zespół badawczy liczy obecnie pięciu młodych badaczy (doktorantów, studentów, młodych pracowników technicznych), bardzo zaangażowanych w realizację prac nad projektem i stanowiącym wsparcie dla Lidera projektu – mówi dr hab. inż. Agnieszka Jastrzębska. – Rozwijamy się bardzo dynamiczne, pozyskując kolejne granty, w tym również w ostatnim czasie BIOTECHMED-1 w ramach IDUB PW. Jestem niesamowicie dumna z działalności i rozwoju naukowego moich młodych badaczy i bardzo mocno ich wspieram.
Projekt „Badania właściwości przeciwnowotworowych nano-kryształów 2D karbidków i azotków tytanu – faz MXenes” jest finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki (w ramach konkursu Sonata BIS 7)
Czas realizacji projektu: 2018–2022
Artykuł pochodzi z cyklu "Badania - Innowacje - Technologie (BIT PW)" na pw.edu.pl