Wiedza, jak silnie reagują ze sobą dwie rozpuszczone substancje chemiczne ma ogromne znaczenie w chemii, biologii molekularnej, ale także w medycynie i farmacji, gdzie służy m.in. do wyznaczania optymalnych dawek leków. Dzięki metodzie opracowanej w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, w przyszłości wyznaczanie współczynników dyfuzji substancji chemicznych w płynach oraz stałych równowagi reakcji ma szansę stać się szybkie, tanie i powszechne.
Utrzymanie odpowiedniego stężenia leku we krwi pacjenta w wielu terapiach jest warunkiem skutecznego leczenia. Mają w tym pomóc urządzenia pomiarowe, wykorzystujące opracowaną w Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie metodę pomiaru stałych równowagi związków chemicznych w płynach. Kilka mililitrów krwi pozwoliłoby szybko i precyzyjnie dopasować dawkę leku do specyficznych cech organizmu pacjenta.
Badania nad dyfuzją są prowadzone w IChF PAN od lat. Bazuje się w nich na zjawiskach zachodzących podczas przepływu cieczy, podobnych do obserwowanych w rzekach. W korycie rzecznym woda płynie szybciej w jego środkowej części niż przy brzegach, a gdy w nurcie pojawiają się wiry, mieszanie wody zachodzi efektywniej.
Podobne zjawiska fizyczne pomogły naukowcom z IChF PAN opracować metodę wyznaczania współczynników dyfuzji. Najważniejszym elementem aparatury jest bardzo cienka i długa (30 m) rurka polimerowa – kapilara. Wewnątrz kapilary płynie ciecz nośna - woda o temperaturze pokojowej i współczynniku pH odpowiadającym ludzkiej krwi.
Kapilara jest ciasno zwinięta, a płynąca woda porusza się szybko. W efekcie przepływ nie jest w pełni jednorodny - powstają niewielkie wiry. Gdy w strugę płynącej w kapilarze cieczy nośnej zostanie wstrzyknięta niewielka ilość badanej substancji, szybko rozciągnie się w długą smugę. Badacze z IChF PAN przyglądali się stężeniu substancji w cieczy nośnej przy wypływie z kapilary. Zgodnie z oczekiwaniami, stężenie było największe w centrum kapilary, a najmniejsze przy ściankach. Wykres rozkładu stężenia badanej substancji wzdłuż średnicy kapilary miał kształt krzywej Gaussa (zbliżony do dzwonu).
Naukowcom udało się powiązać zmiany rozkładu stężenia substancji na końcu kapilary - mówiąc prościej szerokość 'dzwonu' Gaussa – z prędkością przepływu, lepkością cieczy nośnej, krzywizną kapilary i współczynnikiem dyfuzji.
„Trzy pierwsze czynniki są znane, co oznacza, że aby wyliczyć współczynnik dyfuzji, w praktyce wystarczy zmierzyć szerokość 'dzwonu'” - wyjaśniła doktorantka Anna Lewandrowska (IChF PAN).
„Co ciekawe, wyniki naszych pomiarów były niezgodne z obecnymi modelami teoretycznymi, konstruowanymi na podstawie przybliżonych rozwiązań słynnych równań Naviera-Stokesa” - komentuje dyrektor instytutu prof. Robert Hołyst (IChF PAN). Równania te opisują ruch płynów, a ich rozwiązania są jak dotąd znane tylko dla najprostszych przepływów. Naukowcy wyznaczyli więc doświadczalnie własny wzór opisujący układ pomiarowy i zachodzące zjawiska.
We wczesnych wersjach aparatury pomiary prowadzono przy prędkości przepływu, wynoszącej zaledwie 0,05 mililitra na minutę. Jedna analiza wymagała 40 minut, a wynik był obarczony błędem sięgającym 30 proc. Obecnie prędkość przepływu jest dwudziestokrotne większa, badanie trwa trzy minuty, a dokładność pomiarów wzrosła ponad pięciokrotnie.
Skrócenie czasu analizy jest ważne - wyznaczenie optymalnej dawki leku wymaga nie jednego, a trzech pomiarów. „Najpierw musimy wprowadzić do kapilary cząsteczki leku i ustalić szybkość ich dyfuzji. Następnie mierzymy dyfuzję białka, z którym lek ma się wiązać, na przykład albuminy. W trzecim pomiarze wstrzykujemy i lek, i białko, na które on oddziałuje, do kapilary wypełnionej tym samym białkiem. Dopiero porównanie wyników pozwala ustalić, jak wydajnie lek będzie się wiązał z białkiem we krwi pacjenta” - tłumaczy doktorantka Aldona Majcher.
Zgłoszona do opatentowania metoda jest szybka, uniwersalna i prosta. Nie wymaga drogiej aparatury, ma więc szansę trafić do wielu szpitali i przychodni, a także laboratoriów. Eksperymenty w IChF PAN dowiodły, że sprawdza się w przypadku soli, aminokwasów, peptydów, białek i leków.
Badania zrealizowano w ramach grantów Narodowego Centrum Nauki i Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
(PAP)
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz