Biofizyka i fizyka medyczna. Wolne rodniki w spektrometrze

Moje zainteresowania zawodowe koncentrują się na badaniach wolnorodnikowych. Oczywiście, zajmuję się właśnie ich biofizyczną i fizykomedyczną stroną. Stosując technikę spektrometrii elektronowego rezonansu paramagnetycznego badam wolne rodniki, jak również wykorzystuję niektóre z nich do badań błon komórkowych. Sądzę, że podtekst pytania był mniej więcej taki: co ma fizyka do medycyny?

– Wiadomo, że medycyna korzysta dziś ze zdobyczy wielu dziedzin nauki, a fizyka jest jedną z takich dyscyplin.

– I to szczególną. Można bronić tezy, że fizyka stała się tą dyscypliną, która stworzyła współczesną medycynę, zmieniając radykalnie jej oblicze. Tak dzieje się już od 1896 roku, tj. od chwili wprowadzenia do szpitalnej diagnostyki promieniowania rentgenowskiego.

Dotyczy to głównie poznawania chorób, zarówno na szczeblu całego organizmu – narządu, tkanki, jak i na poziomie komórkowym. Metody oraz sprzęt stosowany w laboratoryjnych badaniach diagnostycznych – to fizyka, chociaż laikowi kojarzą się one raczej z chemią. A tymczasem jest to głównie spektrometria, zdobycze mechaniki kwantowej wykorzystywane do badania cząsteczek, jak również izotopy. Obraz krwi, podobnie jak obrazy komórek uzyskuje się przede wszystkim metodami fizycznymi.

– Od schyłku XIX wieku w fizyce i w innych sferach wiedzy, dokonał się olbrzymi postęp.

– Gdyby jeszcze 30 lat temu powiedzieć komuś, że podstawowa metoda diagnostyki klinicznej będzie oparta na mechanice kwantowej bądź też zapytać fizyka o możliwość zbudowania urządzenia diagnostycznego z wykorzystaniem zdobyczy mechaniki kwantowej, to uznano by to za fantazję. W tej chwili diagnostyka opiera się na jądrowym rezonansie magnetycznym (MRI – Magnetic Resonance Imaging) i na tomografii NMR, czyli zjawisku czysto kwantowym, które nie poddaje się poglądowemu opisowi.

– A zatem nowe oblicze medycyny to przede wszystkim precyzyjne urządzenia i zapis ich pomiarów, nad którymi pochyla się lekarz. Pacjent pozostał na dalszym planie?

– Podstawowe współczesne metody diagnostyczne (rentgen, ultrasonografia, medycyna nuklearna, tomografia komputerowa i wreszcie tomografia rezonansu magnetycznego) bazują na fizyce, co oznacza, iż informacje o pacjencie otrzymujemy, poddając go działaniu pewnego pola fizycznego, czyli obiektywnego i w sposób powtarzalny mierzalnego czynnika.

To zrewolucjonizowało i wciąż rewolucjonizuje medycynę. Lekarze rozpoznają obecnie choroby przede wszystkim na podstawie obrazów medycznych. Jest to metodologiczne novum. W medycynie starożytnej, a potem i w klasycznej, istotne były symptomy i ich charakter, co oznaczało konieczność długiej obserwacji pacjenta. Teraz złośliwi mawiają, że pacjent lekarzowi nie jest właściwie potrzebny. Wielu chorych doświadcza tego w trakcie pobytu w szpitalu. Ma poczucie nikłego zainteresowania własną osobą ze strony personelu lekarskiego. Lekarz bowiem bardziej skupia się na medycznych obrazach – biochemicznych i biofizycznych niż na bezpośrednich kontaktach i rozmowach z chorym. Widok leżącego pacjenta mniej go zajmuje, bo o diagnozie decyduje obraz medyczny. Oczywiście, nie jest dobrze, gdy zapis wyników niejako przesłania cierpiącego człowieka.

– Wolne rodniki to temat szalenie teraz modny. Przewija się przez łamy najpopularniejszych tygodników. Czy dzisiejsza wiedza o nich dużo zawdzięcza fizyce?

– Wolny rodnik to element (atom, jon, cząsteczka), w którym znajduje się elektron bez pary, niesparowany. Wolne rodniki są bardzo reaktywne. To bardzo dobre utleniacze, których istnienie odkryto dość dawno. Już kilkadziesiąt lat temu dostrzeżono związek pewnych patologii rozwijających się na poziomie komórkowym z intensyfikacją procesów utleniania, o czym wiedziano. Od dawna wiedziano też, że cząsteczki odpowiedzialne za te zaburzenia, głównie za tzw. stres oksydacyjny, za utlenienie istotnych dla komórki fragmentów to wolne rodniki.

Wykrywanie wolnych rodników, ich badanie ilościowe i jakościowe, jest możliwe dzięki zjawisku fizycznemu ze świata kwantów – elektronowemu rezonansowi paramagnetycznemu (EPR). Służy do tego spektrometr EPR.

Aparatura pozwala badać wolne rodniki powodujące stres oksydacyjny w komórce metodą czulszą od chemicznej. Spektroskopia EPR jest doskonałą metodą badania wolnych rodników, pozwala niemal obserwować je pojedynczo. Problem jedynie w tym, że większość wolnych rodników znajdujących się notabene w centrum zainteresowania biochemii, ma bardzo krótki żywot. Uniemożliwia to obserwację spektroskopową EPR.

– Co więc pozostaje?

– Istnieją cząsteczki, zwane pułapkami spinowymi, chętnie reagujące z wolnymi rodnikami, a po reakcji zamieniające się w wolne rodniki, ale już niereaktywne, stabilne, poddające się badaniu. Pułapki spinowe są o tyle interesujące, że przybierają formę zależną od tego, jaki rodnik je utlenił. Pozwala nam to go zidentyfikować. Stosujemy też metodę znakowania spinowego. Do błony komórkowej wprowadzamy stabilne wolne rodniki i na podstawie uzyskanego widma wnioskujemy, jaka jest struktura błon komórkowych.

W mojej pracy wykorzystuję właśnie stabilne niereaktywne wolne rodniki jako znaczniki błon komórkowych, co pozwala oceniać ich strukturę.

– Jakie to ma znaczenie praktyczne?

– Otóż ostatnio przy współpracy specjalistów wielu dziedzin zajmowaliśmy się ostrym zapaleniem trzustki. To choroba o gwałtownym przebiegu, nieznanej etiologii i dużej śmiertelności. Badania przewodu trzustkowego szczurów pozwoliły wykazać, że przyczyna choroby tkwi w dużym stresie oksydacyjnym w komórkach przewodu trzustkowego. Udało nam się indukować zapalenie trzustki przez wyrzut wolnych rodników w przewodzie oraz udowodnić, że stosowanie substancji ochronnych przed wolnymi rodnikami może ograniczyć proces chorobowy.

– Czego dowiadujemy się z biofizycznych badań nad wolnymi rodnikami?

– Tego na przykład, że stres oksydacyjny na poziomie komórkowym jest najczęściej związany z rodnikiem wodorotlenowym (OH), niewątpliwie najgroźniejszym wśród wolnych rodników.

Wolne rodniki mają olbrzymi potencjał utleniający. Obiektami ich ataku są zazwyczaj albo lipidy tworzące błonę komórkową, albo DNA w jądrze komórkowym bądź też białka i enzymy istotne dla różnych procesów wewnątrzkomórkowych. Utlenione przez wolne rodniki przestają funkcjonować, co zmienia komórkę, uniemożliwia jej podział lub po prostu ją niszczy.

Działanie wolnych rodników często przypomina zasadę domina. Jeżeli wolny rodnik utleni lipid w błonie komórkowej, to utleniony lipid zamienia się w wodoronadtlenek lipidowy, który też jest wolnym rodnikiem. Utlenia on sąsiednią cząsteczkę lipidową, a ta następną... Inicjacja utlenienia w jednym punkcie błony komórkowej powoduje jej zaburzenia na tak dużym obszarze, że jej funkcjonowanie staje się w końcu niemożliwe. Taki łańcuchowy charakter mają też procesy wewnątrz komórki.

W naszej pracowni badamy, jaki rodzaj stresu oksydacyjnego powoduje dany rodnik – czy dochodzi do utlenienia białek błonowych, lipidów czy też proces dotyczy wnętrza komórki.

– A broń przeciwko wolnym rodnikom? Czy już ją znamy? W poczytnych periodykach jest mnóstwo informacji o antyoksydacyjnym działaniu różnych produktów.

– Sama natura wyposażyła nas w bardzo silne bariery antyoksydacyjne, na poziomie każdej komórki. Do stresu oksydacyjnego dochodzi wówczas, gdy zaburzeniu ulega równowaga między zawartymi w komórkach utleniaczami, rodnikami wodorotlenowymi, a obronnymi enzymami z grupy dysmutaz, katalz, peroksydaz zapewniającymi utrzymanie bezpiecznego poziomu wolnych rodników.

Staramy się znaleźć gamę substancji stanowiących parasol ochronny przed wolnymi rodnikami. Możemy także badać substancje, które będą odgrywać rolę ochronną wobec komórki.

Długa i złożona jest jednak droga od poziomu komórki do przewodu pokarmowego, do tego, aby taka ochronna substancja stała się lekiem. To naprawdę nie takie proste. Pamiętajmy, że doskonałą substancją ochronną przed wolnymi rodnikami jest cząsteczka etanolu, jeden z silniejszych zmiataczy wolnych rodników. A zapalenie trzustki dotyczy przede wszystkim osób nadużywających alkoholu przez dłuższy czas. Spożywanie pokarmów z dużą zawartością tzw. zmiataczy wolnorodnikowych, czyli przeciwutleniaczy nie jest więc prostą receptą.

– Dziękuję za rozmowę.