Działania realizowane przez wiele naukowych instytucji i organizacji z całego świata mają w ciągu najbliższych dwunastu miesięcy przybliżyć społeczeństwom znaczenie światła oraz związanych z nim zjawisk, które wykorzystywane są właściwie w każdej dziedzinie naszego życia: w medycynie, przemyśle, edukacji, rozrywce czy komunikacji. Bez tych technologii nie byłoby ani lampek na biurku, ani internetu, nie byłoby skanerów i fotografii, laserowego cięcia materiałów, kamer termowizyjnych czy laserowych operacji oka. O sposobach rozumienia i znaczeniu światła oraz opartych na nim technologii, jak również o prowadzonych w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego Instytutu Fizyki badaniach wykorzystujących procesy zachodzące przy udziale światła opowiada prof. zw. dr hab. Alicja Ratuszna.

Prof. zw. dr hab. Alicja Ratuszna, dziekan Wydziału Matematyki, Fizyki i Chemii UŚ

Zdarza się, że w pochmurny dzień mówimy, spoglądając w niebo, że nie ma Słońca. Oznacza to oczywiście jedynie tyle, że jest ono chwilowo niewidoczne dla naszych oczu. Czy to samo można powiedzieć o świetle?

– Myślę, że tak. Gdy niebo pokrywa warstwa chmur, Słońce jest niewidoczne jako pewien obiekt, nie widzimy wówczas światła słonecznego, ale ono oczywiście cały czas do nas dociera i oddziałuje na nasze zmysły. Trzeba odróżnić potoczne rozumienie światła od jego naukowej definicji, która jest szersza. Światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, czyli przemieszczającym się w przestrzeni (z niewyobrażalną prędkością) zmiennym polem elektrycznym i magnetycznym. Promieniowanie to rozchodzi się na ogromne odległości i w zasadzie nic nie jest w stanie go zahamować. Fizyka opisuje je za pomocą takich parametrów, jak długość i częstotliwość fali, przy czym im wartość częstotliwości jest wyższa, tym krótsza jest długość fali. Im długość fali jest krótsza, tym większą energię „niesie” takie promieniowanie. Nazwą „światło” obejmujemy promieniowanie elektromagnetyczne, tak zwane promieniowanie widzialne z zakresu fal o długościach od 380 nm (fiolet) do 700 nm (czerwień). Jest to część promieniowania elektromagnetycznego, które oddziałuje na nasz zmysł wzroku. Fizyka interesuje jednak promieniowanie elektromagnetyczne w pełnym zakresie długości fal: począwszy od kilometrowych, metrowych czy centymetrowych (UKF) fal radiowych, poprzez mikrofale, podczerwień, wspomniane światło (zakres widzialny), ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie, aż po promieniowanie gamma charakteryzujące się najkrótszą długością fal, osiągającą wartość poniżej 5 pm.

Naukowcy nie tylko zbudowali precyzyjną definicję tak nieuchwytnego zjawiska, jakim jest światło, lecz również dokładnie je zmierzyli. Jak pokazuje historia nauki, każda próba zrozumienia, czym ono jest i jakie są jego właściwości, miała ogromny wpływ na niemal każdą dyscyplinę naukową, począwszy od astronomii zajmującej się badaniem ruchu planet i gwiazd, aż do biologii opisującej na przykład proces fotosyntezy.

- Ze światłem mamy do czynienia właściwie wszędzie. Przede wszystkim bez niego nie byłoby życia, ponieważ stymuluje ono wiele procesów życiowych. Jedną z najważniejszych przemian biochemicznych na Ziemi jest wspomniana fotosynteza. Pierwsze skojarzenie rzeczywiście odsyła nas ku naukom biologicznym, ale tak naprawdę zjawisko to leży na pograniczu biologii, fizyki i chemii. Przypomnę krótko, czym jest fotosynteza: to proces biochemiczny, który zachodzi w roślinach zielonych zawierających chlorofil bądź bakteriochlorofil. Padające na nie światło słoneczne sprawia, że absorbowany dwutlenek węgla (CO₂) wraz z wodą zamieniany jest na różne produkty, z których najważniejszym dla nas jest oczywiście tlen (O₂), nazywany pierwiastkiem życia i, co zaskakujące, będący jednocześnie pierwiastkiem śmierci.

To rzeczywiście zaskakująca informacja i chyba rzadko się o niej mówi...

- Z jednej strony tlen jest niezbędny do życia, z drugiej – odpowiada za różne reakcje utleniania, które mogą doprowadzać do obumierania komórek. Reaktywne formy tlenu mogą generować powstawanie tak zwanych wolnych rodników, odpowiedzialnych za niszczenie między innymi białek czy DNA w komórkach, prowadząc do ich śmierci. Sporo już wiemy o reakcjach biochemicznych zachodzących w naszym organizmie na poziomie molekularnym, dlatego w moim zakładzie staramy się wykorzystać w praktyce pewne właściwości tlenu i promieniowania świetlnego. Zespół naukowców, którym kieruję, zajmuje się od kilkunastu lat tak zwaną terapią fotodynamiczną, która jest już wykorzystywana w walce z rakiem.

Na czym polega terapia fotodynamiczna?

- Przede wszystkim interesują nas związki organiczne, tzw. fotouczulacze, do których należy wspomniany chlorofil, a także chloryny i porfiryny. Są to szczególne cząsteczki, które po wzbudzeniu ich światłem mogą emitować promieniowanie fluorescencyjne i fosforescencyjne o energii potrzebnej do wzbudzenia tlenu singletowego lub do wytworzenia wolnych rodników. Załóżmy, że mamy cząsteczkę porfiryny, która, absorbując światło w zakresie widzialnym, o długości fali około 350 nm, przechodzi do tak zwanego stanu wzbudzonego. W momencie powrotu do stanu podstawowego emituje kwanty promieniowania, a więc zaczyna świecić (emisja fluorescencyjna). Część energii zostaje przekazana do otoczenia, wzbudzając inne znajdujące się w pobliżu atomy czy cząsteczki. Energia naszej porfiryny jest wystarczająca, by wzbudzić niezwykle reaktywny tlen molekularny czy wytworzyć wolne rodniki, mające zdolność niszczenia organelli komórkowych, jak jądra komórkowe czy nici DNA. Takie procesy prowadzą w konsekwencji do obumierania komórki. Terapia fotodynamiczna wykorzystuje właśnie te właściwości porfiryn.

Jeżeli jednak pobudzona przez energię pochodzącą z porfiryn reaktywna cząsteczka tlenu niszczy znajdujące się w pobliżu komórki, to jakie znaczenie może mieć w medycynie?

- Badane przez nas substancje mają właściwości terapeutyczne, ponieważ „umieszczamy” je w komórkach nowotworowych. Niewzbudzone cząsteczki chloryn czy porfiryn są dla naszego organizmu nieszkodliwe. Wprowadzamy je do komórki nowotworowej, następnie naświetlamy nieszkodliwym dla człowieka światłem, które sprawia, że przechodzą one w stan wzbudzony, o którym wspominałam wcześniej. Wracając do stanu podstawowego, emitują część energii w postaci kwantu światła, a pozostałą część energii przekazują do otoczenia, uaktywniając znajdujące się tam cząsteczki tlenu molekularnego czy wytwarzając wolne rodniki, które rozpoczynają proces niszczenia komórki nowotworowej. Jest to tak zwana chemioterapia celowana.

Skąd jednak pewność, że substancja została rzeczywiście umieszczona w zmienionej chorobowo komórce? Jeśli na poziomie molekularnym pojawił się błąd, wówczas wzbudzony tlen może zniszczyć zdrowe komórki w organizmie.

- Tutaj z pomocą znów przychodzi nam światło, a dokładniej zjawisko fluorescencji. Dzięki temu, że nasza substancja w wyniku naświetlenia emituje dla siebie charakterystyczne promieniowanie z obszaru widzialnego, w badaniach in vitro, pod mikroskopem fluoroscencyjnym, widzimy, w jakich komórkach został zlokalizowany badany fotouczulacz (badania prowadzi się jednocześnie na komórkach nowotworowych i fibroblastach). Jeśli uzyskamy pewność, że fotouczulacz znajduje się już tylko w komórkach chorych, a został usunięty ze zdrowych, wówczas naświetlamy promieniowaniem o odpowiedniej długości fali, które rozpocznie opisany powyżej proces fotodynamicznego niszczenia. Światło czy badane przez nas substancje fotouczulające podawane oddzielnie są nieszkodliwe dla naszego organizmu. Dopiero ich połączenie rozpoczyna proces obumierania komórki zmienionej chorobowo.

Skoro znane są już mechanizmy fotofizyczne zachodzące w terapii fotodynamicznej oraz opisane zostały właściwości fotouczulaczy, jaki jest najbliższy cel badań prowadzonych przez kierowane przez panią profesor zespoły badawcze?

- Chcemy stworzyć substancje syntetyczne, a więc związki z rodziny porfiryn, które mają dobre własności fotouczulające. Próbujemy je syntezować sami. Tym zadaniem zajmuje się zespół chemików z Instytutu Chemii Wydziału Matematyki, Fizyki i Chemii UŚ, kierowany przez dr. hab. Piotra Kusia. Zmagamy się z różnymi trudnościami technicznymi: w jaki sposób wprowadzić nasze substancje bezpośrednio do komórek nowotworowych. Ponadto badamy własności fizyczne otrzymanych fotouczulaczy; sprawdzamy, czy absorbują interesującą nas długość światła, określamy wydajność emisji promieniowania fluorescencyjnego i fosforescencyjnego, liczbę wytworzonych cząsteczek wzbudzonego tlenu itd. Udało nam się uzyskać substancję o bardzo dobrych właściwościach fizykochemicznych, spełniającą wymagania dobrego fotouczulacza. Kolejny etap to prowadzone w pracowniach biologicznych Śląskiego Międzyuczelnianego Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych badania in vitro, które sprowadzają się do testowania naszej substancji na pozyskanych komórkach nowotworowych różnych linii, w tym raka sutka, jelita czy płuc. Wyniki tych testów są bardzo obiecujące: dla wybranego fotouczulacza, dla linii gruczolakoraka, uzyskujemy w pierwszym cyklu naświetlania przeżywalność komórek nowotworowych poniżej 5 proc. Prowadzone są również badania in vivo, na zwierzętach, ale już we współpracy z Instytutem Onkologii w Gliwicach oraz z Wydziałem Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Współpracujemy także z prof. zw. dr. hab. n. med. Aleksandrem Sieroniem, który stosuje w określonych przypadkach terapię fotodynamiczną na pacjentach w Szpitalu Specjalistycznym w Bytomiu.

Wszystko wskazuje na to, że można już mówić o sporym sukcesie...

- Na poziomie badań podstawowych – tak. Być może warto byłoby jednak wspomnieć o innym problemie, jakim jest wciąż niska liczba studentów kierunków ścisłych. Zagadnienia fizyczne, choćby pokazane w tym wywiadzie, są niezwykle interesujące. Smutne jest natomiast to, że młodzi ludzie boją się matematyki, fizyki czy chemii, że dostrzegają tylko trudności w przyswojeniu sobie „narzędzi” służących do opisu otaczającej nas rzeczywistości.

Jednym z głównych celów Międzynarodowego Roku Światła i Technologii Wykorzystujących Światło ma być przekazywanie wiedzy o wielu zjawiskach fizycznych dotyczących światła oraz jego wszechobecności w naszym codziennym życiu. Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii od lat angażuje się w liczne działania, których celem jest oswajanie młodzieży z naukami ścisłymi, w tym również z optyką.

- Wiemy, jaki jest program i poziom nauczania fizyki, matematyki i chemii w szkołach średnich, wracamy do szkół i przekonujemy młodzież, że nie ma się czego bać. Przygotowujemy dla nich wiele pokazów, wykładów i spotkań, także z zakresu optyki. Wrzesień jest niemalże w całości poświęcony popularyzacji fizyki, kiedy to oferujemy uczniom cykl pokazów „Osobliwości świata fizyki”. W trakcie roku akademickiego zapraszamy uczniów do naszych pracowni, by mogli zobaczyć, jak prowadzi się badania naukowe w praktyce, w świetnie urządzonych laboratoriach. W Instytucie Fizyki oprócz klasycznych studiów z fizyki proponujemy studia interdyscyplinarne, takie jak biofizyka, fizyka medyczna, ekonofizyka, fizyka techniczna czy nanofizyka. Wszystko wskazuje na to, że bliska mi dziedzina naukowa staje się niemalże tak wszechobecna jak... światło.