W 1983 roku medycyna weszła w nową epokę. Wtedy to zdesperowany stosunkiem tzw. środowiska naukowego do swych badań nad bakteryjną etiologią choroby wrzodowej żołądka Australijczyk Barry Marshall wypił pożywkę aż mętną od Helicobacter pylori. By trzy dni później mieć objawy dramatycznego refluksu i następnie potwierdzony endoskopowo potężny stan zapalny śluzówki żołądka, z którego wyleczył się antybiotykami.
Wówczas zdecydowano ? i tak jest do dzisiaj ? że laboratoria naukowe specjalizujące się w neurobiologii, immunologii, kardiologii czy gastroenterologii muszą zatrudniać mikrobiologa, a rolę mikrobiomu postuluje się we wszelkich chorobach chronicznych: od zespołu Crohna, przez autyzm po schizofrenię.
Naukowy sceptycyzm
Barry Marschall i jego mentor, a później kolega z Royal Perth Hospital Robin Warren doczekali się za swoje odkrycie Nagrody Nobla z dziedziny medycyny i fizjologii w 2005 roku. Zanim Marschall omal nie poległ na ołtarzu nauki, ich pracy o H. pylori i chorobie wrzodowej nie chciała przyjąć do druku nawet lokalna australijska gazetka gastroenterologiczna. Recenzje pracy opisującej, że bakterie w bioptatach z żołądka wykryto z powodu błędu technika (nie wyrzucił zakażonych kolb z pożywką po 24 godzinach, tylko przerosły przez weekend w cieplarce) były miażdżące. Opowieść o samozakażeniu i skutecznej antybiotykoterapii udało się natomiast opublikować w ?Medical Journal of Australia?. Jest to najczęściej cytowana publikacja w historii tego czasopisma medycznego. I to zaczęło trwającą do dziś przygodę Marshalla z University of Virginia w USA, gdzie stworzył od podstaw laboratorium badające H. pylori ? bakterię dziś uważaną za głównego winowajcę nie tylko choroby wrzodowej żołądka i dwunastnicy, ale i raka żołądka, a dokładnie chłoniaka i gruczolaka tego organu. Przyczyna długotrwałego naukowego sceptycyzmu była prosta. W badania ?dzikusów z antypodów? nikt nie chciał wierzyć ani ich finansować. Nikt nie chciał wierzyć, że jakakolwiek bakteria jest w stanie przeżyć w atmosferze kwasu solnego, która panuje w żołądku ? pH 2,5 i mniej. Nie było wiadomo, w jaki cudowny sposób bakteria ta radzi sobie z owym zakwaszeniem. Ta jej zdolność przez lata była podstawowym mechanizmem pozwalającym na jej wykrywanie. Dziś nowe metody, zwane nanobiosensorami grafenowymi, opracowane przez uczonych japońskich z Uniwersytetu w Osace, kierowanych przez Takao Ono, wykorzystują tę samą przeciekawą cechę H. pylori, o czym informowało w czerwcu czasopismo ?Nano Letters?. Ta właściwość to oczywiście wytwarzanie przez Helicobacter pylori olbrzymich jak na bakterię ilości ureazy. Ona to rozkłada mocznik do amoniaku, który neutralizuje lokalnie kwas solny w śluzówce żołądka, umożliwiając bakterii przeżycie i wzrost. Ureaza jest jej najważniejszym czynnikiem zjadliwości.
Biosensor mikrobiologiczny
Biosensor to urządzenie analityczne pozwalające na wykrywanie substancji chemicznej, łączące w sobie komponent biologiczny (enzym, przeciwciało, receptor, kwasy nukleinowe, komórki, tkanka, organellum) i element fizykochemiczny. Ten jest w stanie ?przetłumaczyć? jeden typ sygnału, który zawdzięczamy elementowi biologicznemu, w sygnał fizykochemiczny (piezoelektryczny, optyczny, elektrochemiczny, ektrochemiluminescencyjny etc.). W dzisiejszej medycynie biosensory mają coraz szersze zastosowanie w czujnikach stężenia glukozy (wykorzystują oksydazę glukozy i elektrodę mierzącą stężenie powstającego nadtlenku wodoru, co może być odczytywane amperometrycznie lub fluorymetrycznie) oraz w eksperymentalnych czujnikach wykrywających metastatyczne zmiany związane z rakiem piersi.
Grupa z uniwersytetu w Osace poszła w kierunku opracowania tzw. biosensorów mikrobiologicznych. Nieco jednak au rebours. Klasyczny biosensor mikrobiologiczny wykorzystuje bakterię ? a nawet jej konkretne własności metaboliczne, np. operon ars ? do wykrywania śladowych ilości zanieczyszczeń w próbkach ? w tym wypadku zanieczyszczeń silnie toksycznym dla ludzi arsenem. Praca Japończyków miała jednak na celu stworzenie bioczujnika zdolnego w skali nano, dosłownie w mikrokropli, wykrywać obecność Helicobacter pylori, w przyszłości zaś ? o ile prototyp zyska uznanie ? i innych drobnoustrojów.
Pomysł wydaje się klasyczny: potrzeba płytki opłaszczonej specyficznymi przeciwciałami. Jednak ta płytka będzie z grafenu, czyli materiału zbudowanego z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w sześciokąty, o niezwykłych właściwościach elektrycznych i mechanicznych. Gdy bakterie wchodzą w interakcję z tym biosensorem, ich ureaza czyni swoją powinność. Pojawienie się amoniaku jest natychmiast wykrywane przez grafen. Aby to jednak umożliwić, wykorzystano zjawisko mikroprzepływów, co pozwala utrzymać bakterie w maleńkich kroplach na samej powierzchni grafenu.
Dlaczego aż tak skomplikowanie? Najdroższą częścią biosensora jest ten element zdolny do przetworzenia sygnału biologicznego na np. elektryczny. Grafen doskonale to zrobi. Jednak? on jest w istocie naprawdę grubości pojedynczego atomu węgla. Zatem, gdy opłaszczyć go przeciwciałami, to tak jakby na folii śniadaniowej postawić jedne na drugich spore doniczkowe rośliny. Przeciwciała są w porównaniu z grafenem gigantami. Samo zatem przyczepienie się bakterii do przeciwciała nie daje się wykryć. Takie blokowanie sygnału ze względu na nieadekwatne wielkości obiektów ma w fizyce nawet nazwę ? wynika z tzw. długości Debye?a.
Pomysł na ?mikrolaboratorium umieszczone na grafenowym waflu?
Aby jakoś sobie poradzić z ograniczeniem wprowadzanym przez długość Debye?a, wystarczy zacząć monitorować nie samo przyczepienie się bakterii do przeciwciała, ale reakcje chemiczne, które owa bakteria może przeprowadzać. A stosowne stężenia zapewnić ograniczeniem rozmiarów ?probówki? do mikroskopijnej kropelki cieczy. W takim środowisku tak minimalne cząsteczki jak amoniak mogą bez przeszkód przedostać się miedzy przeciwciałami i zostać wykryte na powierzchni grafenu. Mikroprzepływy zaś pozwalają monitorować zachodzenie tej właściwej dla H. pylori reakcji w czasie. Bo powstające na grafenie sygnały elektryczne są w ścisłej relacji do stężenia amoniaku powstającego w czasie. Innowacyjny biosensor okazuje się i czuły, i selektywny w zastosowaniu do detekcji bakterii, której kiedyś napił się prof. Marshall, co dało mu Nobla. Nowy typ biosensora może wyznaczyć nowy trend w konstrukcji urządzeń zarówno do diagnostyki mikrobiologicznej, jak i medycznej. To w istocie pomysł na ?mikrolaboratorium umieszczone na grafenowym waflu? ? jak to opisują sami pomysłodawcy biosensora.
https://phys.org/news/2019-06-graphene-tiny-droplets-stomach-cancer-bacteria.html DR N. MED. MAGDALENA KAWALEC-SEGOND