Lietuviai fizikai kuria inovatyvius nanotechnologijų sprendimus efektyvesnei vėžio diagnostikai ir gydymui

„Pastaraisiais dešimtmečiais vėžys – viena iš sunkiausių ligų, keliančių grėsmę žmonių gyvybei ir sveikatai“, – sako Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto profesorius emeritas Ričardas Rotomskis. Jis didžiąją dalį savo mokslinės karjeros paskyrė biomedicininės fizikos tyrimams, spręsdamas šiuolaikines vėžio diagnostikos ir gydymo problemas.

Pastaruosius 15 metų profesorius su kolegomis plėtojo kvantinių taškų, aukso nanoklasterių, magnetinių nanodalelių ir aukštynkeičių nanodalelių (angl. upconverting nanoparticles) tyrimus. Jie sukūrė pirmąsias Lietuvoje ir vienas pirmųjų pasaulyje efektyviai funkcionuojančias teranostines platformas (diagnostikos ir gydymo metodai, sujungti ir taikomi vienu metu), kurios ateityje gali būti sėkmingai panaudojamos ankstyvai vėžinių ligų diagnostikai ir terapijai.

Siekiama aptikti vėžį ir iš karto taikyti gydymą

„Kuo anksčiau aptinkamos onkologinės ligos, tuo greičiau ir efektyviau gali būti išgydomas pacientas. Tradicinės terapinės strategijos susiduria su didelėmis kliūtimis, kai norima subalansuoti terapinį veiksmingumą ir klinikinį saugumą. Šiuo metu gydant onkologinius susirgimus nanotechnologinės vaistų tiekimo į navikinį darinį sistemos ir ankstyva navikinių darinių diagnostika tapo svarbiu mokslinių tyrimų objektu“, – pasakoja prof. R. Rotomskis.

Jo teigimu, sėkmingo vėžinių susirgimų gydymo mokslinių tyrimų kryptis yra susijusi su teranostika. „Naudojame nanodaleles kaip jautrius, specifiškus kontrastinius žymenis diagnostikai ir prie ypač mažos nanodalelės prikabiname vaistą, kuris gali inicijuoti gijimo procesus“, – paaiškina VU profesorius emeritas.

Pasitelkdami naujausias technologijas mokslininkai nanodarinius sujungia su biologiškai aktyviomis molekulėmis. Prof. R. Rotomskis pažymi, kad tokios teranostinės platformos yra tinkamos navikinių darinių optinei biopsijai, magnetinio rezonanso vaizdinimui, radiodiagnostikai ir fotodinaminei navikų terapijai. Tobulėjant nanotechnologijoms, fotovaistų kompleksai su nanodalelėmis gali tapti veiksmingu metodu, padedančiu užtikrinti ankstyvą navikinių darinių vaizdinimą ir efektyvų gydymą.

Prof. Ričardas Rotomskis. Asmeninio archyvo nuotr.

Iliustruodamas taikomų nanotechnologijų sąveikų su biomolekulėmis, biosuderinamumo ir toksiškumo tyrimų tikslumą bei preciziškumą, profesorius pasitelkia palyginimus. Anot jo, pats mažiausias iki šiol žinomas gyvas organizmas negali būti mažesnis nei 1 nanometras. 

„Teranostiniai nanodariniai, naudojami multifunkcinei diagnostikai, organizme gali paskatinti gijimo procesus tuo atveju, jeigu yra ypač maži ir ląstelės juos į save įsileidžia. Mūsų tyrimuose toks dydis yra nuo 20 iki 40 nanometrų“, – paaiškina prof. R. Rotomskis ir priduria, kad žmogaus ląstelė yra 250–750 kartų didesnė už tokį teranostinį objektą.

Pasak biofiziko, molekulės ląstelėms reikalingos kaip statybiniai elementai. „Iš kraujotakos ląstelės susirenka sau reikalingus elementus. Jos yra išrankios ir ne viską įsileidžia, o tik tai, kas reikalinga arba neutralu. Dideles baltymo molekules jos į save įtraukia. Taip biomolekulėmis tinkamai apgaubtas nanodarinys gali patekti į vėžines ląsteles ir iš karto imtis kelių veiksmų“, – pasakoja jis ir pabrėžia, kad tokiu būdu paveikiami vėžiniai dariniai lokaliai, o ne visas organizmas.

Profesoriaus teigimu, tokiems tarpdisciplininiams tyrimams sujungiamos fizikos, chemijos, biologijos, medicinos ir net inžinerijos specialistų kompetencijos. 

Kvantiniai taškai ir aukso dalelės

Prof. R. Rotomskis prisimena, kad biofizikos tyrimus VU Fizikos fakulteto Lazerinių tyrimų centre pradėjo beveik prieš 40 metų. O apie teranostikos galimybes pirmą kartą sužinojo dar 1992 m. Jo buvęs studentas, o dabar kolega Nacionaliniame vėžio institute (NVI), Vilnius TECH profesorius Vitalijus Karabanovas – taip pat VU Fizikos fakulteto alumnas.

„Mes pirmieji Lietuvoje susintetinome kvantinius taškus (mažiausias ir švytinčias nanodaleles) ir juos taikėme teranostinėse platformose su baltymu. Prie mūsų prisijungė chemikai. Savo pirmąją publikaciją teranostikos tematika parengėme tik lietuvių kalba. Tas pirmasis straipsnis, kuriame įrodėme pradinę idėją, kad galima prie nanodalelės prikabinti fotovaistą ir su šviesa įgyvendinti terapiją, sukelti vėžinių ląstelių žūtį, yra iki šiol cituojamas“, – prisimena VU profesorius. Pasak jo, sužadinus kvantinį tašką, galima diagnozuoti vėžinius susirgimus, o sužadinus fotovaistą – gydyti.

Teranostinių platformų tyrimams taikomi kvantiniai taškai ir dėl to, kad jų spalva keičiasi priklausomai nuo dydžio. „Iš tos pačios medžiagos besiformuodamas jis pats keičia spalvą, ir įprastinei fizikai tai neprieštarauja, tačiau didelių objektų kontekste tai sunkiai įsivaizduojama. Juk negali būti taip, kad, pavyzdžiui, aukšto krepšininko švarkas yra raudonas, o iš tos pačios medžiagos pasiūtas jo paaugliams vaikams – jau gelsvai žalias. O dar mažesnio modelio švarkelis – mėlynas“, – vaizdingai iliustruoja prof. R. Rotomskis ir sako, kad kartu su kolegomis pasigamina tokio dydžio kvantinius taškus, kurie galėtų būti vertingiausi terapijai ir diagnostikai. 

Teranostikos tyrimuose svarbu, kad nanodarinys tiksliai atpažintų ir šviesa išryškintų būtent vėžio pažeistą vietą. „Ta biologiškai aktyvi dalelė kaip koks šapelis į plaukus – nejuntamai nutupia ir gyvena, niekam netrukdo, bet naudos gali duoti daug. Įkabinta į vėžinę ląstelę, ji šviečia ir gydo. Tačiau ypač svarbu, kad kelionės iki vėžinės ląstelės metu ir jau joje neprarastų savo savybių“, – sako jis.

Prieš daugiau nei dešimt metų mokslininkų eksperimentai su kvantiniais taškais buvo labai brangūs. Pasak prof. R. Rotomskio, iš kvantinių taškų sukurtos vienos vaisto dozės kaina daugelį kartų viršytų klasikinio vaisto nuo vėžio kainą. „Tačiau šiandien kvantiniai taškai smarkiai atpigo sukūrus naujas technologijas ir sintezės būdus. Tai sudarė prielaidas juos plačiai pritaikyti įvairių buityje naudojamų daiktų gamybai. 2023 m. už kvantinių taškų atradimą ir jų sintezę buvo paskirta net Nobelio premija. Pavyzdžiui, dabar jų pagaminimo savikaina sumažėjo ne kelis, o kelias dešimtis kartų“, – sako jis.

Prof. Ričardas Rotomskis. Asmeninio archyvo nuotr.

Mokslininkų kolektyvas intensyviai ieškojo, kaip patobulinti teranostines platformas, taikant lazerines šviesos technologijas, spektroskopiją, pradėti fotosensibilizuotos navikų terapijos taikymą medicinoje. Aukso dalelės pasirodė ypač tinkamos multifunkcinei diagnostikai.

„Auksas yra metalas, tad su rentgeno spinduliais galima pasižiūrėti, atlikti mamogramos tyrimus. Modifikavus pačias aukso nanodaleles, galima ir magnetinį rezonansą taikyti, ir optinę biopsiją. Prie aukso nanodalelių paviršiaus nesudėtinga prijungti įvairias biomolekules, o tam tikromis sąlygomis aukso nanodalelės ir pačios gali sukelti fotooksidacinius vyksmus, – tai puikiai tinka fotovaisto funkcijoms. Jos gali būti sužadinamos raudona ar infraraudona šviesa, kuri patenka į audinių optinio skaidrumo sritį, ir efektyviai paversti sugertą šviesą šiluma. Ši aukso nanodalelių savybė pritaikoma fototerminėje terapijoje“, – paaiškina prof. R. Rotomskis.

Nuo VU Fizikos fakulteto iki pasaulinio lygio mokslo centrų

Reikšminga mokslo ir inžinerijos pažanga dažnai atsiranda disciplinų sankirtose. „Nanomokslas ir nanotechnologijos iš esmės yra tarpdisciplininės, vienijančios chemijos, fizikos, biologijos, medicinos, medžiagų mokslo ir inžinerijos tyrėjus. Ši konvergencija paskatino naujus mąstymo būdus ir sudarė sąlygas kurti naujas medžiagas, įrankius ir technologijas, kurios pakeitė tiek fundamentinių, tiek taikomųjų mokslinių tyrimų strategines kryptis, numatė naujus svarbiausių visuomenės problemų sprendimo būdus“, – sako prof. R. Rotomskis.

VU Fizikos fakulteto Lazerinių tyrimų centro Pažangios biomedicininės fotonikos mokslinėje grupėje nanodalelių tyrimus atlieka vienas pirmųjų prof. R. Rotomskio doktorantų, dabar profesorius, Saulius Bagdonas, kartu su dr. Agne Kalnaityte-Vengeliene.

Dr. Agnė Kalnaitytė-Vengelienė. VU nuotr.

„Mūsų grupės nariai vykdo tarpdisciplininius tyrimus, o daugiausia dėmesio skiria biologinių audinių, aktyviųjų molekulių ir nanomedžiagų optinėms savybėms. Tiriame jų sąveiką su šviesa, taip pat indukuotus fotocheminius ir fotofizikinius procesus. Derindami optinius metodus ir metodikas, ieškome novatoriškų sprendimų, taikomų diagnostikai, vaizdinimui, fototerapijai, spindulinei terapijai ir nanomedicinai gerinti“, – pasakoja dr. A. Kalnaitytė-Vengelienė. Tyrimai atliekami kartu su VU Gyvybės mokslų centro, Chemijos ir geomokslų fakulteto, kitų Lietuvos ir užsienio institucijų kolegomis, partneriais.

Moksliniuose tyrimuose svarbios nuo aplinkos sąlygų besikeičiančios kvantinių taškų savybės: švytėjimo intensyvumas ar jo spalva. „Veikiamos šviesos, šios dalelės virsta ne tik diagnostikos įrankiais, bet ir aktyviais biojutikliais. Nors vėžio teranostikos tyrimai labai svarbūs, šiandien šiuos principus aš perkeliu ir į ekosistemų valdymą – pavyzdžiui, tirdama, kaip tikslingai reguliuoti dumblių augimą. Taip nanotechnologijos tampa universaliu įrankiu tiek medicinoje, tiek ekologijoje“, – priduria bendrus tyrimus su prof. R. Rotomskiu vykdanti mokslininkė.

VU Fizikos fakultete užaugo daugybė absolventų, kurie savo mokslinę karjerą tęsia biofizikos sityje ne tik kitose Lietuvos institucijose, bet ir garsiausiuose pasaulio universitetuose. „Dr. Jonas Venius ir dr. Vilius Poderys dirba NVI, prof. Virginijus Barzda – Toronto universitete, Oslo universiteto mokslininkai Asta Juzėnienė ir Petras Juzėnas – Oslo universitetinėje ligoninėje, – lietuvius fizikus vardija prof. R. Rotomskis. – Mes dirbame kartu su Vokietijos, Norvegijos, Prancūzijos, Olandijos, Jungtinių Amerikos Valstijų, Kanados, Taivano ir kitų šalių kolegomis.“ Profesorius džiaugiasi, kad moksliniai straipsniai, biocheminiai ir eksperimentiniai tyrimai rengiami kartu VU ir NVI.

Prof. R. Rotomskio mokslinio darbo sritis – medicinos fizika, biofotonika, nanofotonika, lazerių taikymas biologijoje ir medicinoje, spektroskopija sensibilizatoriuose, dažikliuose, biologiškai aktyviose molekulėse.

Šiemet prof. R. Rotomskui kartu prof. V. Karabanovu skirta Lietuvos mokslo premija už darbų ciklą „Inovatyvūs nanotechnologiniai sprendimai vėžio teranostikai“ (2010–2024).

Fundamentiniai ir eksperimentinės plėtros tyrimai buvo atlikti Lietuvoje, plėtojant skirtingas tyrimų kryptis, VU Fizikos fakulteto mokslininkams bendradarbiaujant su NVI, Gyvybės mokslų centro, Chemijos ir geomokslų fakulteto, Medicinos fakulteto, Valstybinio patologijos centro, Fizinių ir technologijos mokslų centro, Inovatyvios medicinos centro, Kanados INRS instituto, Latvijos universiteto ir Taivano nacionalinio universiteto kolegomis.

Ši mokslo premija profesoriui – antroji. 2002 m. jis Lietuvos mokslo premija buvo apdovanotas už darbų ciklą „Fotosensibilizuota navikų terapija: fizikiniai, biocheminiai, ikiklinikiniai ir klinikiniai tyrimai“ (kartu su Algiu Petru Piskarsku, Giedre Virgilija Streckyte, Benediktu Juodka, Vida Kirveliene, Liudvika Laima Griciūte, Konstantinu Povilu Valucku, Laima Bloznelyte-Plėšniene ir Janina Didžiapetriene).