TEMA BROJA

G. Tomljenović

Retke zemlje, rude i minerali / (Retki) metali u medicini

Od mističnih napitaka do ciljanih terapija

Iako su poznatiji po upotrebi u digitalnim uređajima i električnim automobilima, retki metali se koriste i u razvoju novih lekova i medicinskih tehnologija. Zahvaljujući jedinstvenim hemijskim i fizičkim svojstva, nude veoma napredne alate za poboljšanje ljudskog zdravlja

Dokumentovana terapeutska primena metala i minerala stara je koliko i ljudska civilizacija - još su drevne kulture Indije, Egipta, Grčke i Rima prepoznavale njihova lekovita svojstva. Bakar je, na primer, korišćen za sterilizaciju vode i sprečavanje širenja bolesti; stari Egipćani i Asteci koristili su bakar sulfat i bakarni oksid za sterilizaciju rana i lečenje kožnih bolesti. Oksidi gvožđa i soli gvožđa su u Egiptu i Grčkoj primenjivani za lečenje opadanja kose i anemije. Prema starogrčkom lekaru Hipokratu, srebro je bilo terapija za rane i čireve, a zlato se u medicinskoj upotrebi beleži u drevnoj Kini, 2500 pne. Zlato, srebro i živa su, kasnije, bile u fokusu srednjevekovne alhemije - mističnog pretka moderne hemije - filozofske i protonaučne discipline koja je praktikovana širom Egipta, Grčke, Kine, Indije i Evrope. Bizmut i antimon korišćeni su u pretečama laksativa i emetika, a toksični arsenik je u vrlo malim dozama primenjivan u lečenju sifilisa i različitih stanja kože. Uz biljne sastojke, minerali i metali bili su sastavni deo mističnih alhemijskih napitaka za dostizanje besmrtnosti, večne mladosti, savršenog zdravlja…

Krajem 19. i početkom 20. veka, naučnici počinju da izoluju i proučavaju elemente u tragovima, koji prirodno postoje u ljudskom telu (bioelemente). Prepoznajući biološki značaj (mikroelemenata) gvožđa, cinka, bakra, selena, mangana, joda, molibdena, hroma… uvideli su da njihov manjak ili neravnoteža mogu da dovedu do različitih zdravstvenih problema kao što su razvojne anomalije, slabljenje imuniteta i metabolički poremećaji. Istovremeno započinje i sistematičnija analiza lekovitih svojstava nebioloških metalnih kompleksa: nemački naučnik Pol Elrih 1909. godine razvija salvarsan, organsko jedinjenje arsenika, koje postaje prvo moderno hemoterapijsko sredstvo (za lečenje sifilisa). Salvarsan je kasnije zamenjen delotvornijim lekovima, antibioticima, ali medicina je tada već na pragu ere razvoja takozvanih metalolekova, medikamenata koji u svojoj hemijskoj strukturi sadrže i atome metala. Zahvaljujući njihovom potencijalu da ciljaju i uništavaju tumorske ćelije, ovi lekovi se obično koriste u onkološkoj terapiji. Od sredine prošlog veka, nauka u te svrhe razvija jedinjenja koja sadrže radioaktivne, plemenite i takozvane retke metale, litijum i lantanoide…

Prvi „radioaktivni“ lekovi

Otkriće radioaktivnih metala, na samoj razmeđi 19. i 20. veka, postavilo je temelje za kasniji razvoj nuklearne medicine, naučnog polja koje će revolucionarno uticati ne samo na dijagnostičke i terapijske mogućnosti u medicini već i na ukupno naučno razumevanje ljudske biologije.
Francuski naučnici Marija i Pjer Kiri su 1898. otkrili polonijum i radijum, a već 1901. godine je, u jednoj pariskoj bolnici, zabeležena prva terapijska primena radijuma za lečenje tuberkuloze kože. Nakon 1910. godine, kad je radijum izolovan u formi metala, ovaj radioaktivni element je imao ključnu ulogu u najranijoj i najdirektnijoj primeni radioaktivnosti u medicini, to jest u razvoju brahiterapije, revolucionarne metode za lečenje nekih vrsta malignih tumora. Radijum je postavljan u staklene ili zlatne kapsule uvođene u telo pacijenta, što je bio rudimentarni oblik brahiterapije, koja podrazumeva da se radioaktivni izvor postavlja u sam tumor ili u neposrednu blizinu tumora. Na žalost, u vreme tih ranih radioaktivnih antikancerskih terapija nije bilo bezbednosnih protokola za zaštitu od radioaktivnosti, ni znanja o potrebi za odlaganjem radioaktivnog otpada, te su ova pionirska lečenja imala i vrlo štetne posledice, i po pacijente i po lekare. Prva bolnička odeljenja za primenu nuklearne medicine otvorena su tek nekoliko decenija kasnije, 50-tih godina, a 70-tih i 80-tih razvijene su nove dijagnostičke metode, jednofotonska emisiona kompjuterizovana tomografija SPECT (Single-Photon Emission Computed Tomography), koja omogućava procenu perfuzije i funkcionalnosti specifičnih tkiva, i pozitronska emisiona tomografija PET (Positron Emission Tomography), koja pomaže u prikazivanju metaboličke ili biohemijske funkcije određenih tkiva i organa.

Rodijum, iridijum, paladijum, osmijum i drugi iz platinske grupe takozvanih plemenitih metala takođe su, tokom prošlog veka, bili predmet intenzivnih istraživanja, što je imalo za rezultat razvoj niza složenih jedinjenja sa izuzetnim antikancerskim dejstvom, kao i antireumatskih, antimalarijskih i antimikrobnih lekova. Posebno veliki napredak u lečenju raka omogućila je hemoterapija zasnovana na platini, to jest na otkriću cisplatina, 1965. godine. Cisplatin je sasvim slučajno otkrio američki hemičar B. Rozenberg, dok je proučavao uticaj električnog polja na rast bakterije escherichia coli. Tom prilikom se pokazalo da platina (sadržana u elektrodama) inhibira ćelijsku deobu bakterije E. coli, što je pokrenulo prve studije o njenoj antitumorskoj aktivnosti kod pacova i dovelo do otkrića da bi platina mogla da bude jedan od najmoćnijih lekova za različite tipove raka, a posebno raka testisa. Istraživanja u ovoj oblasti od tada su pomogla razvoj novih metalnih jedinjenja koja se danas koriste u onkologiji, u hemoterapijama malignih tumora.

Haj-tek i precizna medicina

I upotreba takozvanih rare earths, retkih metala - koji u geološkom smislu zapravo nisu retki nego se uglavnom nalaze u malim koncentracijama ili su pomešani drugim elementima - u medicini je zastupljena već decenijama. Iako su poznatiji po upotrebi u sofisticiranim uređajima svemirske, odbrambene, „zelene“ i potrošačke tehnologije (digitalni uređaji, mobilni telefoni i dr.), retki metali se sve inovativnije i efikasnije koriste i u razvoju novih lekova i medicinskih tehnologija. Čak 45 odsto raspoloživih retkih metala se koristi u jedinjenjima za izradu medikamenata, odnosno u keramikama i legurama koje su u sastavu visokotehnoloških medicinskih pomagala i uređaja.
Reč je o 17 metalnih elemenata koji su smešteni u sredini periodnog sistema: 15 lantanidnih elemenata sa atomskim brojevima 57-71 (lantanu, cerijumu, prazeodimijumu, neodimijumu, prometijumu, samarijumu, evropijumu, gadolinijumu, terbijumu, disprozijumu, holmijumu, erbijumu, tulijumu, iterbijumu, lutecijumu), i skandijumu i itrijumu, sa atomskim brojevima 21 i 39. Ovi metali često imaju jedinstvena hemijska i fizička svojstva, neobične fluorescentne, provodne i magnetne osobine koje ih čine veoma korisnim kad su legirani ili pomešani u malim količinama sa uobičajenijim metalima kao što je gvožđe. Zahvaljujući radioaktivnosti i magnetizmu, veoma su korisni alati za magnetni imaging (MRI) i kao kontrastna sredstva, dok ih katalitička aktivnost i sposobnost da formiraju složene strukture čini veoma pogodnim za terapijsku primenu, na primer za ciljani transport lekova, odnosno za sistemsku isporuku ili vezivanje za DNK…
Poznato je da lantan (La), na primer, deluje na metabolizam, snižavajući nivoe holesterola i krvnog pritiska, i visoke nivoe fosfata koji otežavaju apsorpciju kalcijuma; smanjuje i rizik od zgrušavanja krvi i redukuje apetit. Neke studije pokazuju da bi lantan i cerijum (Ce) mogli da pomažu rast i regeneraciju kostiju, što ih čini potencijalnim kandidatima za upotrebu u ortopedskim aplikacijama i implantatima. U dijagnostičkoj medicini, materijali na bazi lantana i cerijuma pomažu u poboljšanju efikasnosti rendgenskih detektora u skenerskoj (CT) opremi, smanjujući dozu zračenja potrebnu za dobijanje jasnih dijagnostičkih slika.  

Itrijum (Y) se koristi za lečenje raka, direktnim ciljanjem na tumorske ćelije ili posredstvom krvi koja dotiče u tkivo tumora. Jedan od oblika ovog metala, itrijum-90, primenjuje se kao deo terapije zračenjem, tako što se vezuje za antitela koja specifično ciljaju ćelije tumora, ili na način da se milioni radioaktivnih Y-90 mikrosfera („nosača“ koji se razgrađuju u organizmu) ubrizgaju u krvne sudove koji krv nose ka tumoru. Ove visoko ciljane terapije eliminišu tumorske ćelije, umanjujući toksične efekte terapije na zdrave delove tela. Itrijum-90 se u onkologiji primenjuje za lečenje raka jetre i limfoma, ali se koristi i u ortopedskoj hirurgiji, za smanjenje upale zglobova (radioizotopskom sinovektomijom).
Samarijum-153 je forma samarijuma (Sm) koja se koristi u terapijama za smanjenje bolova kod pacijenata sa metastazama u kostima, odnosno u palijativnom lečenju bola kod osteoblastnih metastatskih lezija kostiju. Ovaj radioizotop emituje zračenje koje napada ćelije raka, smanjujući bol i doprinoseći kvalitetu života obolelih.

U dijagnostičkoj medicini, retki metali su posebno cenjeni zbog svojstava koja ih čine najmoćnijim magnetima i odličnim kontrastnim agensima. Terbijum (Tb), na primer, koji nije bio izolovan u samostalnom obliku sve do pojave tehnika jonske razmene, ima posebnu primenu u legurama za elektronsku opremu, i kao zeleni fosfor u elektronskim displejima; u luminiscentnim fosforima medicinske opreme za snimanje koristi se zajedno sa europijumom (Eu). Zahvaljujući sposobnosti da emituje fluorescenciju pod određenim uslovima, može da poboljša osetljivost nekih testova (imunofluorescencije), neophodnih za otkrivanju različitih patoloških stanja (od infekcija do različitih vrsta tumora). Koristi se, takođe, za povećanje bezbednosti rendgenskih zraka, obezbeđujući sliku istog kvaliteta uz mnogo kraće vreme ekspozicije.
Erbijum (Er) se koristi u infracrvenim svetlosnim filterima, optičkim vlaknima i, posebno, u proizvodnji lasera ​​za upotrebu u estetskoj hirurgiji i hirurgiji zubnih implantata, gde je naročito pogodan za primene na tvrdim tkivima. Erbijum laseri takođe imaju odlična baktericidna svojstva, ali je njihove primena na mekim tkivima ograničena zbog loše sposobnosti hemostaze (sprečavanja ili zaustavljanja krvarenja).
Mek metal nalik srebru, tulijum (Tm), najređi je među rare earths, i nije ekonomičan za kopanje pa je veoma skup i nepraktičan za primenu. Ipak, i ovaj metal se koristi u prenosivim rendgenskim aparatima i u tulijum laserima.
I holmijum (Ho) je relativno mek, savitljiv srebrno-beli metal. Može da se nađe u mineralima monazitu i gadolinitu, ali se komercijalno obično ekstrahuje iz monazita, posredstvom jonske razmene. Veoma je reaktivan, pa lako korodira u dodiru sa vodom i gori na vazduhu kad se zagreje, dok je izolovan relativno stabilan. Holmijum, međutim, ima veću magnetnu snagu od bilo kog drugog elementa, i zato se koristi za stvaranje najjačih veštački generisanih magnetnih polja. Kao primesa itrijumu, gvožđu i granatu, odnosno itrijumu, litijumu i fluoridu, koristi se u laserima u čvrstom stanju, u stomatološkim i oftalmološkim procedurama. Na holmijumu zasnovani čvrsti laseri primenjuju se i za neinvazivne procedure lečenja malignih tumora i nefrolitijaze (kamena u bubregu). 
Identifikovan 1945. godine kao poslednji otkriveni retki metal, prometijum (Pm) ima među lantanidima najduže vreme poluraspada, od gotovo 18 godina. Ali, iako se smatra idealnim za prenosive rendgenske uređaje, u tu svrhu dosad nije uspešno primenjen. Njegovo beta zračenje se, umesto toga, koristi mahom u industriji, za merenje debljine materijala.

Magneti i MRI

Magneti načinjeni od neodimijuma (Nd) pokazali su se veoma pogodnim i za dijagnostičke i za terapijske procedure, zahvaljujući sposobnosti tog metala da generiše vrlo jako statičko magnetno polje. Neodimijumski magneti, koje zbog lekovitog efekta često nazivaju i "magičnim magnetima", čine sastavne delove dijagnostičkih, ali i u uređaja za magnetnu rezonancu koji se koriste u terapiji sindroma hroničnog bola, artritisa, nesanice, glavobolje… Neodimijum je ključan i za proizvodnji lasera ​​visoke preciznosti koji se koriste u oftalmologiji, plastičnoj hirurgiji, kao i za uklanjanje tumorskih masa. Svojstvo neodimijuma da generiše intenzivne, fokusirane snopove svetlosti omogućava precizne laserske rezove bez oštećenja okolnog tkiva.
Pre uvođenja gadolinijuma (Gd) u ​​magnetnu rezonancu, medicinskim slikama je nedostajao kontrast potreban za rano otkrivanje malih tumora ili lezija. Tokom 1980-ih, uočeno je da jedinjenja gadolinijuma imaju paramagnetna svojstva, što znači da mogu da komuniciraju sa magnetnim poljima bez zadržavanja magnetizacije. To je radiolozima pružilo moćan alat, omogućivši povećanje kontrasta na medicinskim slikama. Zahvaljujući rastvorima organskih kompleksa gadolinijuma, jedinjenja gadolinijuma koriste se kao intravenski MRI kontrastni agens, za poboljšanje slika u različitim MRI procedurama (kraniografiji, angiografiji i dr). Po ubrizgavanju, gadolinijumski kontrastni agensi akumuliraju se u patološki izmenjenim tkivima mozga i tela, što obezbeđuje veći kontrast slike između normalnih i abnormalnih tkiva, olakšavajući lokalizaciju tumora. Pored toga, gadolinijum ima visok neutronski presek, te se koristi i terapijski, za ciljanje tumora u neutronskoj terapiji, perspektivnoj visokotehnološkoj metodi lečenja maligniteta.

I na bazi drugih lantanida razvijen je veliki broj luminiscentnih biotestova i biosenzora, zahvaljujući njihovim jedinstvenim optičkim i magnetnim svojstvima koja mogu da poboljšaju osetljivost i specifičnost tih senzora. Istraživači koji se bave živim tkivima, za osetljivu luminiscenciju u molekularnoj genetici oslanjaju se na europijum, za obeležavanje specifičnih lanaca DNK u okviru složenih biohemijskih supstanci. Europijum se koristi i u optičkim nanosondama, za biodetekciju (detekciju bioloških molekula) u in vitro i in vivo bioimidžingu. Kad je reč o nanotehnologiji, nanočestice napravljene od retkih metala proučavaju se zbog njihovog potencijala da, u sistemima za isporuku lekova, poboljšaju ciljanu isporuku lekova ili gena do specifičnih ćelija, unapređujući terapijske rezultate. Takođe, u toku su i istraživanja antimikrobnih svojstava određenih retkih metala, s ciljem da pomognu razvoj novih antimikrobnih agenasa ili premaza za medicinske uređaje kojima bi se smanjivao rizik od infekcije.
Retki metali su, nema sumnje, omogućili veliki napredak i u dijagnostičkoj i u terapijskoj medicini, nudeći napredne alate za poboljšanje ljudskog zdravlja. Iako je njihova primena i dalje u fazi istraživanja i razvoja, posebno zbog otvorenih pitanja o bezbednosti, bioraspoloživosti i njihovom uticaju na životnu sredinu, potražnja za retkim metalima u medicini će nastaviti da raste.

G. Tomljenović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"