Światłem czerwonym w bakterie antybiotykoodporne

Stopa cukrzycowa to bardzo groźne, i – niestety, relatywnie częste powikłanie cukrzycy. Oczywiście najlepiej do niego nie doprowadzić lecząc prawidłowo chorobę. Terapia stopy cukrzycowej jest trudna, ale być może będzie można ją niedługo wspomagać… światłem. O rezultatach badania tej metody, która być może znajdzie zastosowanie i w innych problemach zdrowotnych, opowiada dr hab. inż. Katarzyna Matczyszyn, fizykochemiczka z Wydziału Chemicznego Instytutu Materiałów Zaawansowanych Politechniki Wrocławskiej.

Fot. PAP/P. Werewka

Bez światła nie byłoby życia na ziemi, nie byłoby procesów fotosyntezy, widzenia. Pani zespół z sukcesami, choć przy żmudnej pracy, wykorzystuje światło w poszukiwaniach badawczych, za co niedawno nagrodziło panią Francuskie Towarzystwo Chemiczne (Société Chimique de France). To jedno z najważniejszych wyróżnień, jakie chemik może otrzymać we Francji.

Ta nagroda jest nie tylko za badania nad ewentualnymi leczącymi możliwościami światła czerwonego, ale też za badania nad tlenem singletowym (jest to forma tlenu bez niesparowanych elektronów, nie jest w przypadku tlenu O2 formą podstawową, lecz wzbudzoną, o wyższej energii – przyp. red.) oraz szerzej - biofotoniki. A przede wszystkim to nagroda za moją wieloletnią współpracę z chemikami francuskimi.

W świecie, gdy ciągle wzrasta liczba bakterii antybiotykoopornych, terapia antybakteryjna światłem byłaby przełomem. I są już spektakularne efekty?

Współpracujemy z profesorem Andrzejem Szubą z Kliniki Angiologii, Nadciśnienia Tętniczego i Diabetologii Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego we Wrocławiu. To wspaniały lekarz, pochylający się nad pacjentem, nawet nad przypadkami – wydawałoby się - beznadziejnymi. Z wielkim entuzjazmem podszedł do pomysłu zabijania bakterii stopy cukrzycowej za pomocą światła czerwonego. Efekty tego eksperymentu medycznego u niego w szpitalu są wspaniałe. Zachodzi nawet proces naskórkowania, który jest delikatnym i pożądanym procesem w gojeniu ran stopy cukrzycowej. Rany te często są bardzo rozległe, głębokie, bardzo utrudniają chorym życie. Kiedyś myślałam, że mają je głównie osoby słabo dbające o higienę albo żyjące w trudnych warunkach, ale na własne oczy mogę się przekonać, że rany te to sprawa bardzo powszechna. 

Jak na filmie: usunięcie prostaty w asyście robota

Obraz w okularach 3D przypomina kolorowe abstrakcje – trochę jak u Witkacego. To wnętrze miednicy mniejszej mężczyzny, u którego właśnie rozpoczyna się operacja usunięcia zajętej nowotworem prostaty. Wrażenie jak podczas oglądania fascynującego filmu. W rolach głównych prof. Marcin Słojewski z PUM wraz z zespołem i …robot.

Obecnie skupiamy się na dziesiątce pacjentów. Jest tam m.in. pani, która ma naprawdę dużą ranę - zmaga się z nią od 8 lat oraz pan, który ma znacznie mniejszą ranę na palcu. Pacjenci bardzo dobrze reagują na terapię światłem. Tu warto podkreślić, że jest to terapia wspomagająca w antybiotykoterapii, czyszczeniu rany. Jako dodatek do tych tradycyjnych działań pacjent otrzymuje najpierw fotouczulacz. On jest aktywowany przez światło pochodzące ze specjalnie zaprojektowanego OLED-u, organicznego źródła światła czerwonego.

Czytałam, że udało się zabić różne szczepy, ponad 10. Może więc dzięki temu światłu nie będzie gangreny, konieczności amputacji stopy? 

Światło to bardzo tani i jak widać, efektywny sposób zabijania bakterii, szczególnie tych znajdujących się na powierzchni rany. To jest bardzo ciekawe, bo gdy byłam dzieckiem, mama smarowała mi rany, zadrapania jodyną, która też jest fotouczulaczem i w kontakcie ze światłem słonecznym zabija bakterie. W naszej najnowszej pracy opublikowanej w Scientific Reports pokazaliśmy, że nawet bakterie antybiotykoodporne potraktowane fotouczulaczem są zabijane światłem czerwonym.

Świetne jest to, że leczenie światłem czerwonym nie daje skutków ubocznych.

Tak, nasz fotouczulacz bardzo słabo przenika do zdrowych komórek, a znacznie efektywnej wnika do  bakterii. W związku z tym nie mamy skutków ubocznych. Dodatkowo światło czerwone wspomaga przepływ krwi i utlenienie, więc tym bardziej gojenie jest szybsze niż w przypadku braku zastosowania światła.

Bardzo dobre wyniki uzyskujecie przy produkcji tlenu singletowego w reakcji ze światłem…

Tlen singletowy to reaktywna forma tlenu, która powoduje powstanie m.in. reaktywnych tlenków azotu. One przenikają przez błony komórkowe, dostają się do komórki. Badamy mechanizm, w jaki sposób dochodzi do zabijania bakterii, ale na razie nie mamy jednoznacznej odpowiedzi. Jednak  doktorantka Marta Piksa wspólnie z dr hab. Krzysztofem Pawlikiem z Instytutu Immunologii Terapii Doświadczalnej zajmuje się obserwacją tych procesów. Mamy już pewne pomysły. Mam nadzieję, że wyjaśnienie tego procesu pomoże jeszcze efektywniej zabijać bakterie i wydajniej wspomoże procesy leczenia.

Światło nie działa na mitochondria?

Z badania klinicznego zawsze można się wycofać

Jak wygląda badanie kliniczne? Kto może wziąć w nim udział? Czego się spodziewać? Przeciętny obywatel niewiele wie na ten temat. Udział w badaniach klinicznych może dawać duże korzyści pacjentom. Ich prawa gwarantowane są międzynarodowymi i krajowymi regułami.

Wprawdzie wciąż uważa się, że zabijanie bakterii to proces mitochondrialny, ale koledzy biolodzy molekularni mówią, że jak naukowcy czegoś do końca nie wiedzą, to traktują mitochondria jak czarną skrzynkę, w której na pewno proces zachodzi. Chcemy zrozumieć, w jaki sposób dochodzi do skutecznej terapii antybakteryjnej za pomocą światła i dlatego badamy procesy molekularne.

Pewnie pani nie uchyli rąbka tajemnicy, co już wybadaliście…

Nie, bo musimy wykonać jeszcze wiele eksperymentów, w tym kontrolnych, potwierdzających nasze hipotezy. Musimy wykonać też  potrzebne i czasem skomplikowane obliczenia.

Światło czerwone używane przez was do naświetlań stopy cukrzycowej pochodzi z organicznych ledów świecących.

Opublikowaliśmy dużą pracę w Chemical Society Reviews, jednym z najlepszych czasopism chemicznych. Tam podsumowaliśmy, jaka jest rola światła w procesach terapii antybakteryjnej. Wyszło nam, że źródło światła jest drugorzędne. Tak naprawdę najważniejsza jest doza światła dostarczana w procesie leczniczym. Szczegóły konstrukcji naszego OLED-u są natomiast opublikowane w czasopiśmie z grupy Nature – npj Flexible Electronics.

Duża część badań, którymi zajmujemy się, to unikatowe badania z użyciem laserów femtosekundowych o bardzo krótkich impulsach. Pozwalają na procesy wielofotonowe. Możemy tak wzbudzać cząsteczki, układy, że równocześnie w jednym procesie nie jest absorbowany jeden foton, tylko dwa fotony. To daje nam możliwość odsunięcia się z długościami fal, wzbudzenia jeszcze dalej w zakres światła czerwonego i podczerwonego. Dzięki temu uzyskujemy jeszcze lepszą penetrację w głąb tkanek czy też w głąb układów. Światło z lasera femtosekundowego ma bardzo dużą moc w impulsie, ale impulsy są od siebie oddalone w czasie. Jeśli chodzi o obrazowanie z wykorzystaniem laserów femtosekundowych, to otrzymujemy znakomicie lepszą rozdzielczość niż z wykorzystaniem światła ciągłego ze źródeł konwencjonalnych.

Badacie też wpływ światła na przeżywalność z użyciem mikroskopu elektronowego.

Wykorzystaliśmy ten mikroskop, żeby zrozumieć, w jaki sposób nanocząstki ligniny oddziałują z komórką bakteryjną, jaki jest mechanizm, jak to działa. Czy rzeczywiście wybijamy je do nogi, czy przechodzą w jakieś formy przetrwalnikowe.

No i co? Wybite do nogi?

Tak! Mamy wielkie szczęście, bo współpracujemy z dr Andrzejem Żakiem, specjalistą od mikroskopii elektronowej, ale też otrzymaliśmy bardzo duży grant z Ministerstwa Nauki i Edukacji na zakup nowoczesnego mikroskopu elektronowego, który uruchamiamy na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Wspomniałam już również mgr Martę Piksę, która ma ogromne zasługi także w tych badaniach.  Sama, bez zespołu, nie zrobiłabym żadnych pomiarów.

Poproszę o wyjaśnienie w prosty sposób, co daje wykorzystanie promieniowania bliskiej podczerwieni?

Stopa cukrzycowa – można jej uniknąć

Sukces w leczeniu cukrzycy zapewnia nie tylko zgodne z zaleceniami przyjmowanie leków, odpowiednia dieta oraz ruch. Trzeba też bardziej zająć się swoimi stopami.

W  światło ultrafioletowe jest absorbowane przez większość cząsteczek biologicznych. Fotochemia działa tak, że tylko światło zaabsorbowane wywoła zmiany danej materii. Dlatego światło ultrafioletowe może być szkodliwe dla człowieka, bo może powodować mutacje DNA, czy  niekorzystne zmiany w białkach, bo to światło jest absorbowane przez cząsteczki znajdujące się w naszym organizmie. Potem jest absorbcja np. dotycząca hemoglobiny, gdzie część światła jest absorbowana bardzo efektywnie i dlatego hemoglobina jest czerwona, czyli absorbuje całe światło z zakresu widzialnego.

Ta właściwość jest wykorzystywana przy sprawdzaniu, czy mamy dobre natlenienie hemoglobiny – wszystkie pulsyksometry działają na tej zasadzie, że jest różnica w barwie między natlenioną a nienatlenioną hemoglobiną – zmienia się jej widmo absorpcji. Istnieją 3 okna biologiczne, w które należy celować z długościami fal wzbudzenia : pierwsze to 650-950 nm, drugie – 1000-1400 nm, trzecie 1500-1800 nm.

Następnie dochodzimy do krawędzi światła widzianego, czyli zakresu światła czerwonego, a następnie podczerwonego, w którym jeszcze nie absorbują cząsteczki wody, a już nie absorbują cząsteczki organiczne. Czyli mamy minimum absorpcji dla cząsteczek wchodzących w skład naszego ciała a największą możliwość przenikalności. Jest ona bardzo skomplikowanym procesem. Musimy wziąć pod uwagę jeszcze rozpraszanie światła, które następuje w tkankach. Na razie jednak nie zmagamy się z tym procesem, naświetlamy otwarte rany, problem nie dotyczy procesu antybakteryjnej terapii fotodynamicznej, ale osoby zajmujące się fototerapią nowotworów muszą się z tym zmagać. 

Terapia fotodynamiczna w leczeniu nowotworów znana jest od ponad stu lat, ale wciąż nie jest głównym wyborem w procesie leczenia. Dlaczego? Czy chodzi o spersonalizowanie dawki światła? Do nowotworu zwykle trudno się dostać, ale np. nieczerniakowe zmiany mogą być chyba skutecznie leczone?

Jak najbardziej nieczerniakowe zmiany nowotworowe są skutecznie leczone. Jest na ten temat bardzo wiele doniesień, m.in. z University of St. Andrews w Szkocji, gdzie powstała nawet firma zajmująca się źródłami światła dla leczenia takich nowotworów. Jak wspomniałam, stosowane może być dowolne źródło światła, ważna jest dawka dostarczona w procesie leczenia.

Czyli waszym zadaniem badawczym jest ustalenie dawek?

Chcemy ustandaryzować protokół, który byłby łatwo dostępny i przetłumaczony na poradnie, szpitale, gdzie można by to stosować. Mam nadzieję, że prof. Szuba na różnych kongresach medycznych będzie o tym mówił i przekona lekarzy, że to działa. My zaś, wraz z dr hab. Krzysztofem Pawlikiem od strony naukowej postaramy się zrozumieć mechanizm tego procesu, jak również opracujemy detale optymalne do zabijania bakterii w procesie leczenia stopy cukrzycowej. Na szczęście udaje nam się zabijać wszystkie bakterie. Natomiast problemem jest to, że każdy pacjent ze stopą cukrzycową przynosi inne bakterie, niektórzy przynoszą bardzo egzotyczne szczepy. Lekarze mówili, że tylko w książkach o tych szczepach czytali. Dlatego próbujemy to ustandaryzować, opracować protokół prosty do zaadoptowania przez lekarzy czy pielęgniarki.

Choćby z naszej rozmowy widać, że pani badania pomagają ludziom. Słyszę w pani głosie entuzjazm. Co czuje naukowiec, kiedy widzi, że jego odkrycie realnie pomaga ludziom?

Nie masz cukrzycy? Lepiej sprawdź!

Na początku nie daje wyraźnych objawów. Dlatego aż 26 proc. osób chorych na cukrzycę w Polsce nie wie o tym, że choruje. To niemal milion osób! Cukier we krwi warto regularnie sprawdzać.

To wielka radość i szczęście. Udaje mi się współpracować ze wspaniałymi ludźmi, jak dr hab. Pawlik i prof. Szuba. Wspólnie mamy entuzjazm i kompetencje, żeby zrobić coś realnie wspomagającego leczenie. Na razie w badaniu klinicznym mamy 10 osób. Screening przeprowadzany przez profesora Szubę jest konieczny. Nie mogą to być pacjenci, którzy nie będą się systematycznie pojawiać na cykle naświetlań. To nie jest jednorazowa procedura. Ustalamy cykl, czy wystarczy 4 razy przyjść czy 6 razy czy 8 razy. Usłyszałam od prof. Szuby, że na stopę cukrzycową bardzo dobrze działają obciążające buty, ale jeden but kosztuje 1500 zł, nie jest refundowany. Są zamienniki po 200 zł, ale lekarze pierwszego kontaktu w ogóle o nich nie wiedzą.

Dla mnie też niesamowite są zachowania chorych. Coś dzieje się ze stopą, to chory przestaje ją myć! Myślałam, że takie zachowania dotyczą ludzi niewykształconych, prostych. Nic bardziej mylnego. Ostatnio przyszedł pan z wykształceniem wyższym i mówił, że nie ściągał skarpetki, bo bał się spojrzeć na stopę… W ten sposób stworzył bakteriom SPA... W takich momentach zadaję sobie pytanie, czy ktoś w szkołach uczy higieny? We Francji jest przedmiot „Podstawy żywienia i higieny”. Dzieci uczą się, co to są węglowodany, czyli cukry, tłuszcze, dlaczego trzeba używać mydła, może u nas też by się przydał?

Na koniec: ile lat „bawi się” pani światłem?

Całe życie fascynuję się światłem, ale moja droga naukowa jest kręta i wyboista - robiłam bardzo różne rzeczy. Pamiętam, gdy w drodze z podstawówki mijałam bibliotekę, znalazłam książkę do chemii z okładką porysowaną w orbitale. Zaczęłam czytać. To była fotochemia. Doktorat zrobiłam z reakcji fotochromowych i sterowania światłem przemian w ciekłych kryształach. Potem zajmowałam się elektroniką organiczną, czyli konstruowaniem diod organicznych. Badałam też materiały z użyciem światła, zajmowałam się mikroskopią. Wspomnieć chcę panią prof. Maliszewską – to z nią po raz pierwszy badałyśmy bakterie. Potem był grant europejski Polythea, czyli jak światło może ratować życie. To była bardzo inspirująca współpraca z ludźmi z całego świata.
Obecnie jestem afiliowana w projekcie, który nazywa się World Premier Initiative SKCM w University of Hiroshima w Japonii. Dotyczy on nowej chiralnej splątanej metamaterii. Skupia osoby z całego świata z uczeni takich jak: MIT, Georgia TECH, Cambridge, Oksford, Max Planck Institute, czołowe uczelnie japońskie, przedstawicieli różnych dziedzin - kosmologii, chemii, fizyki, biologii. Staramy się stworzyć nowe materiały niebazujące na paliwach kopalnych, zawierające m.in. skręconą metamaterię. To intelektualnie wielkie wyzwanie i wspaniały projekt.

Rozmawiała Beata Igielska, zdrowie.pap.pl