Cykl badań, poświęconych związkom o potencjalnym działaniu przeciwnowotworowym, rozpoczął się dziesięć lat temu od współpracy naukowców z Instytutu Chemii z profesorem Desem Richardsonem (Uniwersytet w Sydney). – Kiedy cztery lata temu przyszedł do nas mgr inż. Maciej Serda, zaproponowałem mu, by w ramach swojej pracy doktorskiej zajął się chelatorami żelaza – wspomina prof. zw. dr hab. inż. Jarosław Polański, kierownik Zakładu Chemii Organicznej na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii. Doktorant podjął wyzwanie i rozpoczął kolejny rozdział prowadzonych już badań.

Mgr Mateusz Korzec i prof. zw. dr hab. Jarosław Polański

Od kuchni do laboratorium

Fascynująca okazała się nazwa wybranego związku, ale nie bez znaczenia był również entuzjazm profesora Polańskiego.

– Miałem do wyboru dwa tematy. Moją uwagę przyciągnęła chemia chelatorów żelaza. Zostałem pozytywnie „zarażony” ideą i rozpoczęły się nasze poszukiwania – opowiada doktorant. Przygodę z chemią Maciej Serda zaczął bardzo wcześnie, bo już w wieku ośmiu lat. Jak sam przyznaje, w szkole podstawowej miał pewien rodzaj „naukowego ADHD”. Jego pierwszym laboratorium była kuchnia. Tworzył mieszanki, wykorzystując saletrę, cukier i inne składniki. Udało mu się również otrzymać proch. – Zdarzało się, że rodzice wracali do domu, a ja nie miałem rzęs, bo mi się spaliły w wyniku jakiegoś eksperymentu. Na szczęście dom i szkoła nadal stoją – dodaje ze śmiechem. Została również miłość do laboratorium.

Zanim jednak rozpoczęły się laboratoryjne prace w ramach przygotowywania rozprawy doktorskiej, trzeba było przeczytać specjalistyczną literaturę, przeszukać dostępne bazy danych i przestudiować patenty, aby nie powielać przeprowadzonych już badań.

Proponowane doktorantom tematy prac zawsze wiążą się z szerszym kierunkiem badań prowadzonych w Zakładzie Chemii Organicznej, w którym działania naukowców koncentrują się na projektowaniu leków. Profesor Polański podkreśla jednak znaczenie słowa lek, które oznacza nazwę związku o określonym profilu aktywności biologicznej, może więc odnosić się, poza typowymi farmaceutykami, do takich substancji, jak repelenty czy środki ochrony roślin. Naukowiec zwraca również uwagę na negatywne skojarzenia, jakie budzi słowo ‘chemia’ (a więc to, co sztuczne, wynaturzone, niszczące). Tymczasem wielu zapomina o tym, że to, co naturalne, również szkodzi, wystarczy wymienić rycynę czy jad węża.

Tylko czasami nasz język dowartościowuje chemię. Mówimy: „jest między nami chemia”, a więc coś dobrego. Od niej nie ma ucieczki, jest wszędzie. Sam człowiek jest chemią – przekonuje badacz. Każdy lek jest zarówno czymś dobrym, jak i, w pewnym sensie, trucizną. Podstawowa trudność wiąże się zatem z poszukiwaniem takiego związku, który zniszczyłby chore komórki czy pasożyty, oszczędzając jednocześnie organizm gospodarza. Inteligentny lek powinien odróżniać komórki chore od zdrowych.

Badania nad nowymi lekami są niezwykle skomplikowane. Wymagają przede wszystkim ogromnych nakładów finansowych i czasu. Towarzyszy im wysokie ryzyko badawcze i finansowe. Droga do otrzymania leku jest długa i wyboista. Szacuje się, że wprowadzenie nowego leku na rynek, to koszty rzędu od jednego do dwóch miliardów dolarów. Profesor Polański przyrównuje tę działalność do gry w ruletkę:

– Kładziemy banknot, przegrywamy, kładziemy następny, znów przegrywamy. Być może za kolejnym razem uda nam się wygrać. Stąd wynika konieczność ochrony patentowej produktu, która pozwala na odzyskanie zainwestowanego kapitału.

Firma farmaceutyczna jest jak wygłodniały sukcesu rekin. Jednak tylko takie rekiny potrafią zapewnić nam leki, które kupujemy w aptece. Grupa pracująca w Zakładzie Chemii Organicznej zaangażowana jest zatem we wstępną fazę badań związaną z projektowaniem molekularnym, którego celem jest poszukiwanie takich związków, które mogą być w przyszłości interesujące dla rynku farmaceutycznego.

Pieczenie ciasta

Mgr inż. Maciej Serda

Wróćmy jednak do początku „chemicznej” drogi mgra inż. Serdy. Wszystko zaczęło się od przeglądania specjalistycznej literatury oraz baz danych w poszukiwaniu obiecujących klas związków chemicznych czy nawet pojedynczego prekursora. W fazie projektowania, jak wyjaśnia doktorant, za pomocą oprogramowania chemicznego rozpoczyna się proces modelowania i modyfikacji wybranego związku. – Załóżmy, że mamy określony cel molekularny, na przykład białko. Prowadzi się symulacje komputerowe, dokowanie substancji aktywnej, czyli dopasowywanie zaprojektowanych przez nas cząsteczek do danego celu. Wykorzystywany przez nas program pokazuje ranking związków dopasowujących się lepiej i gorzej – tłumaczy mgr inż. Serda. Opisane działania są wykonywane przez chemoinformatyków, którzy przekazują owe wyniki chemikom syntetykom. – Czynności te możemy porównać do pieczenia ciasta. Ranking związków wskazuje, jaki powinien być jego „aromat”, na przykład waniliowy lub cynamonowy. Natomiast moje zadanie polega na znalezieniu odpowiedniego przepisu na ciasto o pożądanym aromacie – dodaje.

Załóżmy dalej, że udaje się zsyntezować zaprojektowany związek. Kolejny etap polega na jego opisaniu z wykorzystaniem metod fizykochemicznych. Na tym etapie rozpoczyna się również współpraca z kolejnym badaczem – biologiem molekularnym, którego zadaniem jest eksperymentalne wyznaczenie aktywności otrzymanego związku. W wypadku badań prowadzonych w Instytucie Chemii UŚ analizy te są robione przy współpracy Śląskiego Międzyuczelnianego Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie. W tamtejszych laboratoriach bada się aktywność zaprojektowanych i otrzymanych związków na komórkach nowotworowych. W pierwszej fazie związki te podawane są do komórek rakowych, zaś w następnej sprawdza się ich działanie na komórki zdrowe. Powracamy tym samym do właściwości leku, który jest jednocześnie trucizną – jego toksyczne działanie musi być ograniczone do takiego stopniu, by nie zabiło organizmu poddawanego leczeniu. Kolejny etap badań wymaga przeprowadzenia złożonych testów molekularnych, pozwalających na znalezienie celów molekularnych dla zaprojektowanej substancji. Po wykonaniu tych badań można przystąpić do testów na zwierzętach.

Chele oznacza kleszcze

Badania mgra inż. Serdy koncentrują się na chelatorach żelaza. Nazwa związku pochodzi od greckiego słowa chele i oznacza kleszcze, szczypce raka. Naukowcy analizują zatem właściwości takiej cząstki, która koordynuje w sposób kleszczowy określone metale, w tym wypadku cząsteczki żelaza. Interesujące jest, w jaki sposób owe związki działają na komórki nowotworowe. Jak wyjaśnia doktorant, zawsze mówi się o kilku celach molekularnych. W przypadku chelatorów żelaza pierwszym celem molekularnym jest reduktaza rybonukleotydowa, kluczowy enzym w syntezie DNA. Jedną z właściwości komórek nowotworowych jest ich zdolność do bardzo szybkiego namnażania się w organizmie. Zadanie chelatora polega w tym wypadku na zablokowaniu syntezy DNA, a przez to na zatrzymaniu procesu namnażania komórek rakowych. Drugi mechanizm działania tych związków polega na tworzeniu reaktywnych form tlenu. Okazuje się, że chelator wraz ze skompleksowanym żelazem biorą udział w tak zwanej reakcji Fentona, w wyniku której tworzy się rodnik hydroksylowy, śmiercionośne indywiduum chemiczne, zabijające miejscowo to, co znajduje się w jego pobliżu, a więc także komórkę nowotworową. Trzecim elementem opisującym działanie chelatorów żelaza jest zaburzenie metabolizmu żelaza w komórkach neoplastycznych, co prowadzi do ich obumarcia. Na tym etapie kończą się również prace prowadzone przez doktoranta, który obecnie przygotowuje się do obrony rozprawy doktorskiej. Podkreśla jednak znaczenie pracy zespołowej, bez której osiągnięcie dotychczasowych wyników nie byłoby możliwe. W kierowanym przez profesora Polańskiego zespole badawczym, oprócz mgra inż. Serdy, pracują również dr hab. Robert Musioł z Zakładu Chemii Organicznej oraz mgr Anna Mrozek-Wilczkiewicz z Zakładu Chemii Organicznej oraz Zakładu Fizyki Ciała Stałego.

Maćkowi udało się uzyskać około sześćdziesięciu różnych związków, z czego dwa są szczególnie ciekawe ze względu na najwyższą jak dotąd zaobserwowaną aktywność. Dlatego przygotowane zostało również zgłoszenie patentowe – wyjaśnia profesor Polański. Zanim jednak możliwe stanie się praktyczne ich wykorzystanie, konieczne są dalsze niezwykle kosztowne badania. Problemem polskiej nauki jest jednak niezwykle niski poziom finansowania badań. Zdaniem badacza naukę można porównać do sportu. W lidze mistrzów wygrywają ci, których stać na inwestycje. Przepaść w poziomie nakładów finansowych na naukę między Polską a innymi krajami jest ogromna. Roczny budżet, jakim dysponuje pojedyncza poważna amerykańska uczelnia, np. Uniwersytet Stanforda, prawie dwukrotnie przewyższa nakłady na badania wszystkich polskich jednostek naukowych w sferze szkolnictwa wyższego i przemysłu. – Walka o granty europejskie, innowacje, publikacje w „Nature” czy Nagrodę Nobla to pojedyncze wyścigi, ligi mistrzów i ligi europejskie – zaznacza kierownik Zakładu Chemii Organicznej. Czasami chwalimy się sukcesami rodaków na uczelniach zagranicznych. Trzeba jednak pamiętać, że ich sukces tak naprawdę jest już wtedy sukcesem innych krajów i społeczeństw.