facebook twitter instagram issuu linkedin research gate youtube ustv

Jak przyspieszyć działanie leków?

Zespół prof. zw. dr. hab. Mariana Palucha z Zakładu Biofizyki i Fizyki Molekularnej prowadzi badania nad właściwościami struktur amorficznych i ich wykorzystaniem w przemyśle farmaceutycznym.

Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego pracujący pod kierunkiem prof. dr. hab. Mariana Palucha badają struktury, które w przyszłości mogą przyspieszyć i poprawić działanie leków dostępnych na rynku farmaceutycznym. Interesującą ich strukturę mają tzw. ciała amorficzne (bezpostaciowe), łączące w sobie pewne cechy ciał stałych i cieczy, których właściwości testuje i opisuje grupa prof. Palucha. W ubiegłym roku Narodowe Centrum Nauki przyznało zespołowi dofinansowanie w wysokości ponad 5 mln złotych na kontynuację badań naukowych.

Zespół badawczy prof. dr. hab. Mariana Palucha

Zespół badawczy prof. dr. hab. Mariana Palucha | Fot. Archiwum M. Palucha

W godzinach szczytu

Prof. Marian Paluch zainteresował się fazą amorficzną różnych substancji także ze względu na jej ciekawe właściwości. Jak przyznaje, jednym z bardziej interesujących aspektów jest stan nierównowagowy tej fazy.

– Klasyczne przejście fizyczne polega na przejściu z jednego stanu równowagowego do drugiego. Tymczasem w przypadku powstawania w fazy amorficznej obserwujemy przejście od stanu równowagowego do nierównowagowego. Oznacza to, że w skali czasu porównywalnej z czasem relaksacji strukturalnej, o której będzie jeszcze mowa, materiał zmienia swoje parametry. Jeśli wykonam pomiary gęstości czy współczynnika dyfuzji molekularnej, będą one ulegać zmianie w czasie. Jako fizyk eksperymentator muszę zatem odpowiedzieć na pytanie, co dokładnie się zmienia, w jakim czasie i jakie to ma przełożenie na właściwości naszego materiału. To jest wyzwanie, którego się podjąłem – mówi naukowiec.

Aby lepiej wytłumaczyć interesujące właściwości ciał amorficznych, prof. Paluch wraca wspomnieniami do jednej ze swoich podróży do Tokio. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się ruchliwość molekuł wynikająca z malejącej energii kinetycznej i rosnącej gęstości układu.

– Widziałem coś podobnego w tokijskim metrze, w godzinach szczytu. Ludzie wciąż przybywali, zmęczeni pracą, poruszający się jakby w zwolnionym tempie w rosnącym tłumie. Podobnie jest z molekułami w fazie amorficznej. Mają mniejszą energię i w coraz większym „ścisku” nie są już w stanie poruszać się tak szybko i swobodnie, jak w przypadku klasycznych cieczy – tłumaczy naukowiec. – Zmiana ruchu molekuł pociąga za sobą nową własność, którą udało mi się opisać w ramach jednego z projektów badawczych – dodaje. Okazało się, że molekuły w fazie amorficznej cechuje tzw. ruch kolektywny, nie obserwowany ani w cieczach, ani w kryształach (w tych ostatnich żadna z cząsteczek nie ma możliwości zmiany swojego otoczenia).

Przenieśmy się na moment ze stacji tokijskiego metra do sali gimnastycznej w pewnej szkole podstawowej. Dzieci mające dużo energii biegają chaotycznie i prawie niezależnie od siebie. Nie interesuje ich ruch kolegów, a że czasem dojdzie do kolizji… nie szkodzi. Jak wyjaśnia prof. Paluch, w podobny sposób zachowują się również molekuły w cieczy. Mają dużo przestrzeni i energii, poruszają się więc swobodnie, chaotycznie i niezależnie od siebie. – Taki ruch nie byłby już możliwy w zatłoczonym tokijskim metrze, do którego wracamy. Jeśli utknęliśmy w środku przedziału i zbliżamy się do stacji docelowej, nie pozostaje nam nic innego, jak logicznie zaplanować wyjście. Kilka osób musi się przesunąć, byśmy mogli przejść. Ruch zaczyna więc mieć charakter kolektywny: moje działanie nie zależy już tylko ode mnie, lecz przede wszystkim od możliwości, jakie daje mi otoczenie – opowiada naukowiec. Jak dodaje, takie określenie dotyczy również mikroświata. W procesie przechładzania cieczy ruchy molekuł zaczynają mieć taki właśnie charakter. Możemy to zaobserwować na przykład w szkle, w stopach polimerów czy w bursztynie.

Czas, w jakim nastąpi reorganizacja lokalnej struktury cieczy, nazywany jest w fizyce czasem relaksacji strukturalnej. – W cieczy zmiany te zachodzą bardzo szybko i liczone są w rzędach pikosekund (10-12). W temperaturze zeszklenia molekuły poruszają się zdecydowanie wolniej, a czas ich ruchu mierzymy nawet w hektosekundach (102). W mikroświecie różnica jest więc ogromna i stanowi wyzwanie dla eksperymentatorów – mówi fizyk.

W swoich badaniach prof. Paluch wskazał dwa czynniki, które mają wpływ na zmianę czasu relaksacji strukturalnej ciała amorficznego. Okazało się, że za tak znaczne spowolnienie ruchliwości molekuł odpowiadają fluktuacje termiczne oraz gęstość układu amorficznego. Fizyk sprawdzał na przykładzie różnych materiałów, który z dwóch czynników może mieć dominujące znaczenie. Okazało się, że rola fluktuacji gęstości i temperatury zależy od rodzaju oddziaływań międzycząsteczkowych występujących w poszczególnych związkach.

– Udowodniłem, że fluktuacja gęstości odgrywa większą rolę w cieczach z oddziaływaniami van der Waalsa, natomiast zmiany termiczne najbardziej wpływają na dynamikę molekularną cieczy z wiązaniami wodorowymi – tłumaczy naukowiec.

Chęć badania wpływu fluktuacji gęstości, która stała się głównym wątkiem dalszych badań, wymagała również zbudowania specjalistycznego stanowiska do badań w warunkach wysokiego ciśnienia, dzięki któremu można byłoby śledzić wpływ upakowania na dynamikę molekularną, czyli badać zmiany ruchliwości molekuł w bardzo szerokim zakresie czasów relaksacji strukturalnej.

– Dziś z dumą podkreślam, że mamy jedno z najlepszych laboratoriów na świecie. Co więcej, brałem udział w konstruowaniu podobnych stanowisk w wielu jednostkach badawczych w Europie, Azji i Ameryce Północnej. W najbliższym czasie planujemy rozpocząć również sprzedaż gotowych zestawów do pomiarów dynamiki molekularnej w ramach komercjalizacji badań – zapowiada naukowiec.

Szybciej, lepiej i bezpieczniej

Liczba wyzwań jednak nie maleje, ponieważ istnieje wiele czynników determinujących fizyczną stabilność formy amorficznej. Badanie owych czynników ma bowiem kapitalne znaczenie dla wprowadzenia substancji w fazie amorficznej na rynek farmaceutyczny. Konwertowanie leczniczych substancji aktywnych do postaci amorficznej wydaje się niezwykle ciekawym pomysłem, ale jest także źródłem wielu problemów. Prof. Paluch zwraca uwagę na trzy zadania, które stawia przed sobą jego zespół.

Po pierwsze – nie wszystkie substancje dają się łatwo przekształcać w formę amorficzną. Czasem proces ten wymaga skomplikowanej aparatury i odkrywania nowych metod konwertowania.

Po drugie – uzyskana forma amorficzna musi także być utrzymana przynajmniej na okres ważności leku, czyli przeważnie przez 3 lata od momentu wprowadzenia go na rynek. Takie formy mogą krystalizować, wtedy ponownie przyswajalność substancji aktywnej zmniejsza się i traci się to, co udało się wcześniej uzyskać.

Po trzecie wreszcie – właściwości substancji w fazie amorficznej zmieniają się z czasem, dlatego naukowcy muszą poznać czynniki mające wpływ na te zmiany i na przebieg całego procesu.

– Kilka problemów udało nam się już rozwiązać. Wiemy, jak badać formy amorficzne. Teraz, w ramach nowego projektu rozpoczętego w ubiegłym roku wraz z naukowcami z Uniwersytetu Jagiellońskiego, będziemy opisywać wpływ różnych czynników na zmiany właściwości substancji w fazie amorficznej. Dzięki temu dowiemy się, jak ten stan utrzymać. Mamy już kilka metod stabilizowania układu i związanych z nimi patentów. To przybliża nas do nawiązania efektywniejszej współpracy z przedstawicielami przemysłu farmaceutycznego i do wprowadzenia leków amorficznych na rynek – zapowiada naukowiec.

Autor: Małgorzata Kłoskowicz 

Gazeta Uniwersytecka UŚ” nr 1 (241) październik 2016

Skróty

Biuletyn Informacji Publicznej
Copyright © 2001-2019
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wszelkie prawa zastrzeżone.