Kouzelná střela v podobě chemické látky dokáže mezi přečetnými buňkami lidského těla vyhledat pouze ty rychle se dělící a zhoubné a nekompromisně je zničí! Je to sen či skutečnost? Vědci v Ústavu makromolekulární chemie a Mikrobiologickém ústavu Akademie věd ČR v Praze takový sen právě teď přeměňují ve skutečnost. Dokážou však taky i jiné „zázraky“!
U konečné tramvaje na pražských Petřinách se třpytí prosklené budovy. Před jejich vchodem „roste“ od loňského října zvláštní strom. Z kovového kmene tu ční větve, na jejichž koncích jsou upevněna jakási záhadná čísla. Jsou to čísla patentů, jejichž autorem byl prof. Otto Wichterle, jenž se proslavil tím, že poprvé připravil silonové vlákno, ale hlavně měkké hydrogelové kontaktní čočky. Do historie naší vědy se navždy zapsal i založením dnes světoznámého vědeckého pracoviště, Ústavu makromolekulární chemie AV ČR. Stal se také jeho prvním ředitelem.
Polymery kolem nás
Co si vlastně představit pod pojmem makromolekulární chemie? Nejspíš vědu studující jakési složité chemické látky, jejichž přípravu si umí jen málokdo představit. Abychom tomu přišli na kloub, obrátili jsme se na ředitele ústavu prof. ing. Karla Ulbricha, DrSc. Ten, dříve než nás „provedl“ všemi úspěchy ústavu, začal od základu, tedy od makromolekuly:
„Laicky se dá říci, že je to veliká molekula tvořená navzájem propojenými malými základními jednotkami zvanými monomery, podobně jako články řetězu tvoří dlouhý řetěz. Podle povahy těch malých jednotek i struktury řetězců pak může synteticky připravená makromolekula (polymer) měnit své vlastnosti. Může se chovat jako pevná látka a být použita třeba pro přípravu sáčků, textilních vláken a řady dalších materiálů, nebo se dá rozpustit ve vodě a vytvoří roztok, ve kterém ji vlastně ani nevidíte“.
A k čemu je to dobré?
Nejen chemická struktura, ale i způsob propojení základních jednotek tvořících makromolekulu výrazně ovlivňuje její konečné vlastnosti, které určují možnosti jejího použití jakožto polymerního materiálu. Díky tomu se například dají polymery obrábět na obráběcím stroji, nebo jako plasty je roztavíte a nalijete do různých forem a tak můžete připravit nové výrobky.
Polymery nám nabízejí obrovskou škálu rozmanitých materiálů, jejichž vlastnosti můžeme připravovat „na míru“ podle požadavků na jejich chování a podle našich potřeb, třeba připravit materiály nehořlavé, tuhé nebo ohebné, tvořící vlákna nebo fólie, matriály pevné a křehké a nebo houževnaté a nárazuvzdorné.
Můžete uvést pár případů využití polymerů?
Někteří lidé často říkají, že chemie a chemické látky znečišťují životní prostředí a tudíž jsou lidem škodlivé. To platí i o polymerech. Přitom si tito lidé neuvědomují, že bez chemie a polymerů obzvlášť by vůbec nedokázali žít. Ráno vstanete, vklouznete do bačkor, které mají obvykle podrážku z polymeru. Další polymer vezmete do ruky v podobě kartáčku na zuby. Kolem vás je lakovaný nábytek a celá řada dalších předmětů, i to jsou polymery. Právě tak jako pneumatiky a umělé součásti aut, letadel a dalších výrobků které denně používáme. Polymery reprezentují třeba i všechny obalové materiály, lahve na nápoje, ale jsou to i jiné předměty běžné potřeby. Patří sem i naše moderní směrovaná léčiva, která dokážou dopravit cytostatikum v netoxické formě například do nádoru.“
Vědec či ředitel?
Prof. Ulbrich ovšem není ředitel, který by ze své kanceláře pomocí různých nařízení na dálku kraloval 280 pracovníkům. Naopak, vystupuje jako jejich kolega. Vedle vědců to oceňují i pracovníci technických profesí – ústav má mj. i vlastního skláře, truhláře a jiné podpůrné týmy. Jako doma je ředitel v moderně zařízených laboratořích. Na první pohled se vybavením neliší od většiny podobných, i když tady se rodí úplně něco nového, co svou úrovní snese světové srovnání.
„Z čistě chemického hlediska nevyžaduje syntéza polymerních léčiv žádné složité zařízení, stačí skleněný reaktor opatřený děličkou, teploměrem či přívody plynů. Většina syntéz našich polymerů se dá dělat na velmi podobném, relativně jednoduchém zařízení,“ říká mezi počítači, skleněnými předměty a dalšími pomocníky prof. Ulbrich. „Mnohem složitější je situace při charakterizaci připravených látek. Tam často potřebujeme velmi drahé přístroje a pokud je nemáme, musíme žádat o pomoc jiná pracoviště, třeba i zahraniční.“
Příjemným překvapením je v ráji bílých plášťů hodně mladých vědců.
Aby buňka nepoznala napřítele…
Prof. Ulbrich vede tým, který se věnuje biolékařským aplikacím, tedy i vývoji moderních léčiv. Co si však pod tím máme představit?
„Pracujeme s chemoterapeutiky, ale i jinými molekulami, které v organismu nějak ovlivňují životní procesy. Zaměřujeme se zejména na oblast cytostatik, protože to pokládáme za nejdůležitější. Při vývoji cílených terapeutik se snažíme využít polymerů převážně ve formě rozpustné ve vodě a tedy i v organismu.“
Jak se takové drama, kde může jít o záchranu života, odehrává?
„Předpokládáme, že naše léčiva budou podávána jako injekce či jako roztok, jaký dostanete při infúzi. U polymerů navrhujeme řadu různých struktur, každá z nich je vhodná pro určitý nádor. Nádory totiž nejsou všechny stejné. Polymer tedy slouží jako jakýsi nosič pro biologicky aktivní molekulu, léčivo, kterým je v našem případě cytostatikum. Hledáme cesty, jak ho k polymeru chemicky přichytit určitou spojkou, která zajistí, že cytostatikum ztratí svou toxicitu (jedovatost) pro organismus a může ji obnovit pouze, uvolní-li se opět z polymeru.
V této polymerní formě není cytostatikum aktivní. Dostane se do těla. K tomu musíme použít takový polymer, který tělo nerozezná jako něco cizího. Na některé z mnoha jednotek polymeru se snažíme připojit struktury, které by poznaly receptory typické pro určitý typ buněk, v našem případě buňky nádorové, a k těmto buňkám polymer zavést.
Každá, a tedy i nádorová buňka má vypracovaný mechanismus, zajišťující její dělení a růst. V rámci tohoto mechanismu buňka polymer „spolkne“, pro ni to byla její potrava. Enzymy určenými na zpracování potravy rozštípe spojku mezi léčivem a nosičem, tím léčivo uvolní a to ji zabije! Uvolní se totiž cytostatikum které nádorovou buňku likviduje!
Zhruba za osm let…
Na všechno však zdejší tým nestačí. Přípravu polymerních léčiv dělají zde v ústavu – celou chemii, čištění a další náležitosti. Pak už musí přijít spolupráce s biology, v tomto případě s Mikrobiologickým ústavem AV ČR, vedeným profesorkou Blankou Říhovou. V řadě projektů však pomáhají i vědci z Heidelbergu či z univerzity v Oxfordu.
Čtenáře 21. STOLETÍ bude jistě zajímat, kdy se tyto převratné objevy objeví v praxi? Kdy se lidé postižení rakovinou dočkají polymerů, které dopraví účinné léčivo k jejich nádorům?
„Nyní dokážeme syntetizovat několik typů léčiv v laboratoři v množství potřebném na testy u několika desítek myší. Ovšem abychom ho vyráběli desítky či stovky kilogramů, to je velmi náročné. Nejdříve se musejí udělat klinické testy, což je proces nejen dlouhodobý, ale finančně velmi náročný. Uvádí se, že zavedení nového léku stojí částku převyšující 700 milionů dolarů. I v případě úspěšného průběhu testů, a ty nemusí vždy dopadnout podle předpokladů, nelze očekávat tato léčiva na trhu dříve než zhruba za osm let“.
Jak léčí nerozpustný gel?
Dodejme, že skupina prof. Ulbricha se zabývá i vývojem léků pro genovou terapii. V tomto případě je biologicky aktivní molekulou DNA – kyselina deoxyribonukleová, ve které je zapsána genetická informace. Obdobným způsobem jako pomocí polymerního nosiče dopravují cytostatikum, se snaží vědci dopravit DNA, nebo přesněji její část, plasmid, který kóduje produkci určitého aktivního proteinu, do cílových buněk v organizmu.
„Jiné systémy, které tady studujeme, zase reagují na změny teploty, což umožňuje řídit uvolňování léčiv v organizmu po delší dobu. Speciálně připravené polymery, které jsou rozpustné při normální teplotě, například do 30° C, po injekci do organizmu o teplotě 37 °C okamžitě změní strukturu a vytvoří nerozpustný gel. Z takového gelu se pak po určitou dobu, třeba až měsíc, uvolňuje léčivo, takže ho nemusíte podávat po každých čtyřech či šesti hodinách. Nakonec se gel sám rozpustí a polymer se z těla vyloučí.
Na tradice zakladatele ústavu prof. Wichterleho navazují v ústavu i přípravou nových kontaktních čoček. „Ovšem je to už jakási třetí generace, takzvané intraokulární čočky. Pomáhají navrátit zrak tam, kde je nutné pacientovy vyjmout původní přirozenou čočku a umožňují ji nahradit čočkou umělou“ doplňuje prof. Ulbrich.
Na otázku, zda se s legendou české chemie osobně znal, odpovídá „Ano, pan profesor měl laboratoř hned vedle té, ve které jsem pracoval. Já rád poslouchal jeho vyprávění, byl to osobitý vědec, moudrý člověk.“
Dnes mu ho v jeho pracovně připomíná slavený „čočkostroj“ ze stavebnice Merkur a před vchodem do ústavu již zmíněný podivný strom poznání. Prof. Otto Wichterle, jenž se po roce 1989 stal předsedou Akademie věd, by měl ze svých následovníků radost!
Co je biodegradace?
Velké úspěchy má ústav i s tzv. biodegradovatelnými materiály. Ty se po nějaké době, kdy svůj účel splní, samy vlivem prostředí (v přírodě i uvnitř organismu) rozpadají. Využívají se v tzv. tkáňovém inženýrství, což je např. příprava syntetických náhrad orgánů (játra aj.). Jedná se o rakci živé tkáně s povrchem ze syntetických materiálů, které se dostávají do organismu.
Dále se dají použít jako strukturní materiál. který má funkci jakéhosi lešení, matrice, kterou prorůstají například buňky. Člověk má například porušeno nervové vedení. Z polymerního biodegradovatelného materiálu se udělá porézní náhražka, kterou nervové buňky prorůstají. Jakmile se poté znovu propojí, polymer degraduje a zmizí.
Jak se testují kouzelné střely?
Využívá se dvou způsobů: Prvním je tzv. in vitro pouze na buněčných liniích. Slouží k tomu, aby na pokusných zvířatech, což je další způsob, netestovalo všechno, ale jen ty nejslibnější látky.
Některá zařízení, třeba gamakamera, kterou lze sledovat přímo osud polymeru (kde se ukládá, jak je distribuován v čase) jsou pro ústav finančně příliš nákladné. Proto se testují např.v německém Heidelbergu. Tam mají i větší zvířata (třeba prasata) s nádorovými liniemi, které u nás nejsou. Obdobné pracoviště je i na univerzitě v Oxfordu, v Mnichově a v Karlsruhe.
Největším problémem je přechod od experimentů na myších k pokusům s lidmi. Systémy musí být receptory směrován na určitý nádor. Ovšem myší nádory mají trochu jiné receptory než člověk. Stěží se pak dají použít výsledky z myší na lidi.
Prof. Ulbrich k tomu 21. STOLETÍ prozradil: „Náš tým měl vlastně jako první polymerní léčivo, které se podrobilo klinickým testům ve Velké Británii. Vůbec prvním obrovským problémem bylo vysvětlit schvalujícím orgánům, že dáváme polymer do krve. Překonání téhle bariéry u institucí, které to měly schvalovat, trvalo řadu let. To šlo o člověka – klinické zkoušky jsou zkoušky u lidí! Profesorka Říhová už úspěšně od určitých typů nádorů léčí všechna laboratorní zvířata.“
Chtějí si ochočit viry
V Ústavu makromolekulární chemie AV ČR se snaží ovládnout i viry. Pokud polymery používané pro již uvedené nosiče modifikují povrch viru, není v těle tak nebezpečný. „Virus je jinak vynikající – uvnitř buňky se chová tak, jak potřebujeme my,“ upřesňuje prof. Ulbrich. Laicky řečeno: Vir normálně vleze do všeho, napadá játra i všechny ostatní buňky. Když vědci vir obalí polymerem, nevleze nikam! A to ještě není vše. Jakmile totiž povrch, kterým ho obalili, dostane směrující jednotku (známou z kancerostatik i z čistě syntetických komplexů), vir už leze jen do specifických buněk a v nich se chová jako virus. To znamená, že se uvnitř aktivuje, uvolní DNA. Tyto systémy jsou tedy kombinací polymerní chemie s virem.
