О том, как началась работа
Работа команды профессора в области люминесценции и противомикробных препаратов началась в 2008 и 2011 годах. До этого исследователи концентрировались на понимании конструкции и синтеза новых материалов, а также понимании взаимосвязей между синтезом и структурой полученного материала. Прежде чем перейти к люминесценции, а затем к биологической активности, с точки зрения приложений исследователи проделали работу в протонной проводимости и в катализе. По словам Гари Хикса, первоначальный интерес к люминесцентной работе возник в результате случайного контакта с другой исследовательской группой, занимающейся в университете дисплеями и технологиями. Это взаимодействие привело к совместному проекту с компанией Filtrona (часть известной на международном уровне корпорации-поставщика пластмассовых и волоконных продуктов Bunzl).
«Антимикробная работа возникла в результате сотрудничества с коллегой из Брестского университета. Сначала он исследовал некоторые из материалов, которые мы создали, что привело к нескольким научным публикациям. Работа, которую мы сейчас делаем и планируем сделать в ближайшее время, приведет к созданию спин-аут компании (одна из моделей организации инновационных фирм, спин-компании основываются на базе технологии или разработки, созданной с одной целью – внедрить объект научно-исследовательской деятельности на рынок) из Университета Вулверхэмптона, поэтому в настоящее время мы не работаем напрямую с промышленностью. Как только эта структура будет сформирована, мы ожидаем более прямого контакта с промышленными партнерами. Тем не менее, у нас есть некоторые связи с Национальной службой здравоохранения, представители которой помогают нам в биомедицинских исследованиях», – объяснил профессор.
Люминесценция
Люминесценция – нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке. Сегодня она активно применяется в медицине. Например, по спектру люминесценции можно провести проверку качества продуктов, фармацевтических средств, растительных волокон, кожи и другое. Также по характеру люминесцентного излучения можно судить о норме и патологии многих тканей организма: ногтей, зубов, волос, хрусталика глаза, роговой оболочки и даже отделить злокачественную опухоль от доброкачественной. Люминесценция применяется для диагностики кожных заболеваний (грибок, лишаи) – они также дают характерное свечение.
Для люминесценции материал должен обладать определенными свойствами. В общем случае (фото)люминесцентный материал будет поглощать свет, а затем повторно излучать его (другой цвет) при более низкой энергии. Свет, который поглощен и испущен, будет зависеть от состава материала, и путем изменения этого состава исследователи могут выбрать длину волны излучения. Так, в органо-неорганических гибридных материалах и металлических фосфонатах исследователи могут использовать свойства металлов и органической части для получения желаемого результата. Этот процесс может принимать различные формы; не обязательно, чтобы неорганические и органические части играли активную роль.
Одним из примеров, который продемонстрировал Гари Хикс, было использование каркаса для размещения некоторых молекул красителя упорядоченным образом, что привело к созданию микрокристаллического лазера. Однако во многих случаях неорганические и органические компоненты могут играть синергетическую роль (взаимоусиливающую). Например, длина волны поглощения может быть перемещена из ультрафиолетового (высокоэнергетическая часть спектра) в видимую или инфракрасную часть спектра за счет увеличения размера и природы поглощающей органической группы. Затем поглощенная энергия может быть либо восстановлена при более низкой энергии, либо передана атомам металла, которые затем испускают ее при более низкой энергии. Изменение одного металла на другой изменит наблюдаемый цвет, например, химический элемент Европий испускает красный свет, тогда как химический элемент Тербий произведет зеленый свет. Таким образом, контролируя одновременно органический и неорганический состав материала, можно создавать материалы со свойствами необходимого приложения.
Антимикробные материалы
Сегодня мир испытывает проблемы с устойчивостью микробов к лекарствам. Бактериальный штамм (чистая культура вирусов, бактерий и других микроорганизмов или культура клеток, изолированная в определённое время и в определенном месте) мутирует и развивает устойчивость к лечению, что приводит к более широкому использованию наиболее мощных противомикробных препаратов, а в некоторых случаях к эволюции бактерий, которые не могут быть уничтожены. Это усугубляется бесконтрольным и ненужным использованием пенициллинов и других противомикробных препаратов, которые обычно назначаются врачами. Сегодня ведется большая работа по сокращению объемов существующих противомикробных препаратов, которые мы используем во всем мире, а также по разработке новых противомикробных препаратов.
«В антимикробной и биологической работе мы стремимся контролировать процессы. Основным направлением нашей работы на сегодняшний день является использование серебра в качестве антимикробного средства. Серебро очень хорошо убивает бактерии, но, к сожалению, оно также токсично для человека при попадании в организм выше определенного уровня. Ключ к успеху – выпустить достаточное количество серебра для материала, чтобы убить бактерии, но не столько, чтобы убить человека. Путем включения серебра в MOF (металлический фосфонат) мы можем выбрать органическую часть для того, чтобы контролировать молекулярное строение и, следовательно, изменять растворимость материала, а, значит, контролировать и скорость, с которой выделяется серебро. В наших планах посмотреть другие металлы, которые показывают токсичность к специфическим бактериям, и дальше рассматривать, что органическая часть материала могла также иметь некоторую деятельность. Объединяя два активных вида и контролируя структуру, мы ищем конкретные ответные реакции на распространенные бактериальные угрозы», – рассказал Гари Хикс.
Как уже упоминалось выше, во всем мире существует проблема с устойчивостью к противомикробным препаратам. Разработка новых противомикробных препаратов является одним из элементов стратегии комплексного подхода к решению этой проблемы. В настоящее время исследования в сфере металлических фосфонатов сосредоточены на ряде областей (некоторые из них, такие как системы доставки лекарств, уже упоминались). Тем не менее, производство лекарств (и лекарственных материалов) может занять много времени, чтобы пройти через различные регулирующие процессы, которые необходимы, чтобы доказать безопасность, прежде чем они могут быть предписаны для лечения.
Однако антимикробные металлические фосфонаты можно использовать в актуальных методах лечения более активно, например, они могут быть включены в перевязочные материалы. Другие возможные применения могли бы включать образование противомикробных препаратов на стеклянных (или других) поверхностях, которые предотвратили бы образование биопленок (бактериальных пленок), что является частой причиной бактериальной инфекции в больницах. Другие области применения металлических фосфонатов в биосфере включают разделение молекул хиральных лекарств, биомиметический катализ (имитирующий активность ферментов), биосенсоры для обнаружения болезни и другое.
Как используются новые материалы для лечения рака или остеопороза
Остеопороз является результатом дисбаланса в темпах создания костной ткани и повторной адсорбции. В современных подходах к лечению остеопороза используются фосфоновые кислоты, которые химически способны связываться с поверхностью костной ткани и предотвращать разрушение кости клетками остеокластов, ответственными за реадсорбцию кости. Однако есть ограничение: эти кислоты быстро растворяются в желудке и довольно быстро проходят через пищеварительный тракт. В результате лишь небольшая часть лекарства достигает пораженных участков тела. Коллеги профессора на Крите создали серию материалов, которые включают молекулы этих лекарств в структуру металлического фосфоната (типа MOF). При этом они снизили скорость высвобождения препарата. Переход материала через пищеварительный тракт получается более медленным, в конечном итоге это означает, что большее число активных компонентов достигает пораженные зоны.
Лечение рака намного сложнее, но металлический фосфонат может обеспечить два потенциальных механизма его применения. Первое заключается в обеспечении канала для доставки лекарства к пораженному участку, а также устойчивого испускания противораковых препаратов на проблемной зоне. Так как лекарство помещено в открытую структуру металлического фосфоната, это предотвращает или уменьшает преждевременное высвобождение лекарства до тех пор, пока оно не будет доставлено до затронутой болезнью области.
Второй потенциальный механизм лечения – возможность построения металлического фосфоната из молекул противораковых препаратов. Несколько основанных на металле лекарств в настоящее время используются в химиотерапии, и есть много органических молекул, которые показывали хорошую цитотоксичность к разнообразию штаммов рака. В некоторых случаях имеются сообщения о синергетических эффектах от комбинации противоопухолевых препаратов. Комбинируя эти элементы для создания металлического фосфоната, мы потенциально имеем возможность поставлять несколько взаимодополняющих и синергетически активных видов в раковые клетки и, контролируя молекулярное строение, контролировать скорость высвобождения лекарств.
