Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Działania realizowane w tym roku przez wiele naukowych instytucji i organizacji z całego świata mają przybliżyć społeczeństwom znaczenie światła oraz związanych z nim zjawisk, które wykorzystywane są właściwie w każdej dziedzinie naszego życia: w medycynie, przemyśle, edukacji, rozrywce czy komunikacji. Bez tych technologii nie byłoby ani lampek na biurku, ani internetu, nie byłoby skanerów i fotografii, laserowego cięcia materiałów, kamer termowizyjnych czy laserowych operacji oka. 

Trzeba odróżnić potoczne rozumienie światła od jego naukowej definicji, która jest szersza – mówi prof. zw. dr hab. Alicja Ratuszna, dziekan Wydziału Matematyki, Fizyki i Chemii Uniwersytetu Ślaskiego. – Światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, czyli przemieszczającym się w przestrzeni (z niewyobrażalną prędkością) zmiennym polem elektrycznym i magnetycznym. Promieniowanie to rozchodzi się na ogromne odległości i w zasadzie nic nie jest w stanie go zahamować. Fizyka opisuje je za pomocą takich parametrów, jak długość i częstotliwość fali, przy czym im wartość częstotliwości jest wyższa, tym krótsza jest długość fali. Im długość fali jest krótsza, tym większą energię „niesie” takie promieniowanie. Nazwą 'światło' obejmujemy promieniowanie elektromagnetyczne, tak zwane promieniowanie widzialne z zakresu fal o długościach od 380 nm (fiolet) do 700 nm (czerwień). Jest to część promieniowania elektromagnetycznego, które oddziałuje na nasz zmysł wzroku. Fizyka interesuje jednak promieniowanie elektromagnetyczne w pełnym zakresie długości fal: począwszy od kilometrowych, metrowych czy centymetrowych (UKF) fal radiowych, poprzez mikrofale, podczerwień, wspomniane światło (zakres widzialny), ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie, aż po promieniowanie gamma charakteryzujące się najkrótszą długością fal, osiągającą wartość poniżej 5 pm.

Ze światłem mamy do czynienia właściwie wszędzie. Przede wszystkim bez niego nie byłoby życia, ponieważ stymuluje ono wiele procesów życiowych. Jedną z najważniejszych przemian biochemicznych na Ziemi jest fotosynteza – proces biochemiczny, który zachodzi w roślinach zielonych zawierających chlorofil bądź bakteriochlorofil. Padające na nie światło słoneczne sprawia, że absorbowany dwutlenek węgla (CO₂) wraz z wodą zamieniany jest na różne produkty, z których najważniejszym dla nas jest oczywiście tlen (O₂), nazywany pierwiastkiem życia i, co zaskakujące, będący jednocześnie pierwiastkiem śmierci. Z jednej strony tlen jest niezbędny do życia, z drugiej – odpowiada za różne reakcje utleniania, które mogą doprowadzać do obumierania komórek. Reaktywne formy tlenu mogą generować powstawanie tak zwanych wolnych rodników, odpowiedzialnych za niszczenie między innymi białek czy DNA w komórkach, prowadząc do ich śmierci.

– Sporo już wiemy o reakcjach biochemicznych zachodzących w naszym organizmie na poziomie molekularnym, dlatego w moim zakładzie staramy się wykorzystać w praktyce pewne właściwości tlenu i promieniowania świetlnego. Zespół naukowców, którym kieruję, zajmuje się od kilkunastu lat tak zwaną terapią fotodynamiczną, która jest już wykorzystywana w walce z rakiem – komentuje prof. Ratuszna. – Przede wszystkim interesują nas związki organiczne, tzw. fotouczulacze, do których należy wspomniany chlorofil, a także chloryny i porfiryny. Są to szczególne cząsteczki, które po wzbudzeniu ich światłem mogą emitować promieniowanie fluorescencyjne i fosforescencyjne o energii potrzebnej do wzbudzenia tlenu singletowego lub do wytworzenia wolnych rodników. Załóżmy, że mamy cząsteczkę porfiryny, która, absorbując światło w zakresie widzialnym, o długości fali około 350 nm, przechodzi do tak zwanego stanu wzbudzonego. W momencie powrotu do stanu podstawowego emituje kwanty promieniowania, a więc zaczyna świecić (emisja fluorescencyjna). Część energii zostaje przekazana do otoczenia, wzbudzając inne znajdujące się w pobliżu atomy czy cząsteczki. Energia naszej porfiryny jest wystarczająca, by wzbudzić niezwykle reaktywny tlen molekularny czy wytworzyć wolne rodniki, mające zdolność niszczenia organelli komórkowych, jak jądra komórkowe czy nici DNA. Takie procesy prowadzą w konsekwencji do obumierania komórki. Terapia fotodynamiczna wykorzystuje właśnie te właściwości porfiryn.

Badane przez naukowców z Instytutu Fizyki UŚ substancje mają właściwości terapeutyczne, ponieważ „umieszczane” są w komórkach nowotworowych. Niewzbudzone cząsteczki chloryn czy porfiryn są dla naszego organizmu nieszkodliwe. Profesor Ratuszna wyjaśnia, że wprowadzane są one do komórki nowotworowej, następnie naświetlane nieszkodliwym dla człowieka światłem, które sprawia, że przechodzą one w stan wzbudzony. Wracając do stanu podstawowego, emitują część energii w postaci kwantu światła, a pozostałą część energii przekazują do otoczenia, uaktywniając znajdujące się tam cząsteczki tlenu molekularnego czy wytwarzając wolne rodniki, które rozpoczynają proces niszczenia komórki nowotworowej. Jest to tak zwana chemioterapia celowana. Dzięki temu, że substancja w wyniku naświetlenia emituje dla siebie charakterystyczne promieniowanie z obszaru widzialnego, w badaniach in vitro, pod mikroskopem fluoroscencyjnym, widzimy, w jakich komórkach został zlokalizowany badany fotouczulacz (badania prowadzi się jednocześnie na komórkach nowotworowych i fibroblastach). Jeśli uzyskamy pewność, że fotouczulacz znajduje się już tylko w komórkach chorych, a został usunięty ze zdrowych, wówczas naświetlamy promieniowaniem o odpowiedniej długości fali, które rozpocznie proces fotodynamicznego niszczenia. Światło czy badane przez nas substancje fotouczulające podawane oddzielnie są nieszkodliwe dla naszego organizmu. Dopiero ich połączenie rozpoczyna proces obumierania komórki zmienionej chorobowo.

Małgorzata Kłoskowicz

Artykuł ukazał się drukiem w numerze 4 (224) „Gazety Uniwersyteckiej UŚ” (styczeń 2015)