Dostęp Otwarty

Badania

Zmierzyliśmy coś, co było niewidzialne i trudne do wykrycia

O pierwszym na świecie pomiarze tlenku azotu w pojedynczej żywej komórce z prof. Tadeuszem Malińskim z Uniwersytetu Ohio w Stanach Zjednoczonych, dwukrotnie nominowanym do Nagrody Nobla, rozmawia Danuta Pawlicka.

Small prof malinski002ww x opt

MT: „Wszystko jest możliwe dla tych, którzy pragną coś osiągnąć” – często pan wygłasza to zdanie. Sformułował je pan na starcie kariery czy w jej trakcie?

PROF. TADEUSZ MALIŃSKI: Na początku mojej amerykańskiej drogi, a trwało to jakieś 10 lat, gdy znalazłem tam techniczne możliwości i wydawało mi się, że wszystko jest możliwe do osiągnięcia.

MT: Łączy pan inżynierię biochemiczną z biotechnologią i medycyną. Ale największych odkryć na skalę światową dokonał pan w medycynie, nie mając ukończonej uczelni medycznej. Wystarczyły studia na dwóch poznańskich uczelniach – politechnice i UAM?

T.M.: Do jakiegoś czasu wystarczały, ale na pewnym etapie badań zorientowałem się, że muszę znać także medycynę. To było konieczne, bo nie pojąłbym pewnych problemów, przed którymi stanąłem, gdy rozpocząłem doświadczenia na modelach zwierzęcych, a później badania kliniczne. Wtedy medycyna stała się po prostu nieodzowna.

MT: W gronie amerykańskich naukowców zaczęto najpierw wymieniać pana jako twórcę nanonarzędzi. Skonstruował je pan, aby zajrzeć w głąb komórki?

T.M.: To nie było dokładnie tak. Już od dawna mieliśmy nanosensory, gdy jeszcze nie było pojęcia nanomedycyny. Były to pierwsze tak ultramikroskopijne narzędzia, które stworzyliśmy na potrzeby biochemii, a także do analizy obrazów starych mistrzów światowego malarstwa. Analityczne metody opracowane dla dzieł sztuki nie mogą być destrukcyjne z oczywistych powodów. Zastanawiając się, jak ten problem rozwiązać, pomyślałem o mikropęknięciach, które ma każde stare dzieło. Wpadłem więc na pomysł, aby tam wprowadzać bardzo małe sensory zbudowane z włókna węglowego. Narzędzie przypominające igłę, 700 razy cieńsze od włosa, gotowe do analizy sztuki i potem zostało zaadaptowane do analizy pojedynczej komórki.

MT: Zamienił pan obraz Rembrandta na żywą komórkę i odkrył tlenek azotu w żywym organizmie, o którym niewiele wiedziano?

T.M.: W końcu lat 80. XX wieku pojawiły się sugestie, że tlenek azotu może pełnić biologiczną rolę. Nie było na to dowodu, ponieważ był uważany za wysoce toksyczny gaz. Mierząc jego stężenie, pierwsi dostarczyliśmy bezpośredniego dowodu, że tlenek azotu może istnieć w komórkach biologicznych przez kilka sekund. Wykorzystaliśmy do tego wspomniane już narzędzia, które były stosowane w badaniach starych obrazów. Powlekliśmy je substancją (metaloporfiryną o strukturze podobnej do struktury hemoglobiny – przyp. red.) reagującą tylko z tlenkiem azotu i generującą sygnał elektryczny. Mogliśmy wykryć NO, bo miałem intuicję, żeby niezwykle małe narzędzie zatrzymać tuż przy powierzchni komórki, a więc w pewnej od niej odległości. Bez jej dotykania! To była intuicja, bo wiedziałem, że żywot tlenku azotu, jeżeli on tam istnieje, trwa tylko kilka sekund. Już przy pierwszym pomiarze odebraliśmy prawidłowy sygnał pokazujący stężenie NO, które jest typową wielkością znajdującą się w pojedynczej komórce śródbłonka dużych naczyń krwionośnych. To był światowy przełom, więc natychmiast pochwaliliśmy się nim w „Nature”. Publikację poparli wtedy najwybitniejsi amerykańscy naukowcy, nie wyłączając kilku noblistów.

MT: Na czym polega metoda, która ciągle uznawana jest za najlepszą?

T.M.: Dotychczas jest jedyną, która w czasie rzeczywistym pozwala mierzyć podstawowe mechanizmy, obserwować kinetykę i dynamikę przenoszenia informacji przez NO w materiale biologicznym. I odpowiada na pytania, w jakim czasie i jakie procesy się wzmacniają, gdy tlenek azotu przekształca się w inne związki. Ten prosty system był przedtem dla człowieka niewidzialny, chociaż tlenek azotu istnieje od początku życia wszystkich organizmów żywych. To wszystko stało się jasne w 1998 roku, gdy przeprowadziliśmy pierwsze badanie, w Anglii, nie w Stanach, na ludzkim organizmie.

Wielkość naszego badania polega na tym, że zmierzyliśmy coś, co było niewidzialne i trudne do wykrycia. To coś okazało się tlenkiem azotu, ale nadal, także dzisiaj, pomiar tej ważnej cząsteczki w czasie rzeczywistym (ok. jednej milionowej części sekundy) jest trudny technicznie. Odkrycie NO, w którym jest cząstka naszych badań, wywołało lawinę prac na ten temat, których liczba przekroczyła dzisiaj już 100 tys.

MT: Wyjaśnienie roli NO w regulacji podstawowych życiowych procesów doprowadziło Pana do kolejnych spektakularnych odkryć.

T.M.: Tlenek azotu pełni co najmniej cztery główne role: kontroluje układ krążenia (rozkurcza mięśnie gładkie naczyń), zapobiega toksykacji organizmu (reguluje poziom wolnych rodników), odpowiada za pracę neuroprzekaźników w chorobach degeneracyjnych i zapobiega adhezji składników krwi do ścian naczyń krwionośnych.

Poznanie tych procesów przydaje się w bardzo wczesnej diagnostyce, która odpowiada na pytanie, jak długo będzie działał prawidłowo na przykład układ krążenia. W transplantacji serca wskazuje, ile lat przeszczepione serce może bić. Przez cztery „złote godziny”, które obecnie wyznaczają bezpieczny czas od pobrania do przeszczepienia, serce traci 20 lat życia. Nasze badania pozwoliły na opracowanie nowszych roztworów przedłużających czas przechowywania serca do 10-12 godzin.

Serce pozbawione dopływu tlenu wytrzymuje kilka minut, ale gdy odetniemy mu NO, zatrzymuje się po kilkunastu uderzeniach. Tlenek azotu jest regulatorem rozkurczu mięśni i naczyń, bierze udział w przekazywaniu informacji do mózgu, odpowiada za stan układu immunologicznego, ma wpływ na gojenie się ran (rekonstrukcja tkanek). Jednak nie może go być ani za dużo, ani za mało. Musi znajdować się w pewnej stałej równowadze, ponieważ jakiekolwiek jej zachwianie prowadzi do niebezpiecznych zaburzeń; gdy jest go za dużo, wywoła rozkurcz i zatrzyma serce, a gdy za mało – nastąpi skurcz i także zatrzymanie serca (przy niedoborze: skrzepy, udar mózgu, zawał mięśnia sercowego). NO nazywany jest cząsteczką życia, a ONOO (nadtlenek azotynu, najbardziej niebezpieczny składnik stresu oksydacyjnego) – cząsteczką śmierci. Między nimi, jak między dobrem i złem, toczy się nieustanna walka do końca naszego życia. Niestety, w tej walce tlenek azotu musi zawsze przegrać i ta przegrana kończy nasze życie.

MT: Zaburzenie tej równowagi odczuje nie tylko serce?

T.M.: Jej zachwianie poprzedza większość chorób cywilizacyjnych – nadciśnienie tętnicze, miażdżycę, zawał mięśnia sercowego i udar mózgu, cukrzycę, arteriosklerozę i nowotwory, choroby Parkinsona i Alzheimera, a także starzenie się organizmu. Walka między NO a ONOO przybiera na sile w starszym wieku. Wyjaśnienie, co leży u jej podstaw, doprowadziło do zaproponowania skuteczniejszych terapii – zahamowania lub spowolnienia wielu chorób, np. epilepsji, choroby Alzheimera czy bardziej skutecznych metod leczenia ran i oparzeń.

MT: Dzisiaj o całe zło obwiniane są cholesterol i wolne rodniki.

T.M.: Badania cholesterolu koncentrują się na destrukcyjnej roli LDL – złego cholesterolu. Okazuje się, że niektóre jego składniki są szczególnie groźne i bez ich szczegółowej analizy nie możemy poprawnie diagnozować postępu arteriosklerozy. Większość badanych ludzi mających prawidłowe stężenie cholesterolu może już mieć problemy z sercem i na odwrót – podwyższone stężenie nie zawsze sygnalizuje chorobę. A co do wolnych rodników – one są także potrzebne, pod warunkiem że utrzyma się je w odpowiednim stężeniu w stosunku do stężenia tlenku azotu.