Prije dvadesetak godina, nakon jednostavne laparoskopske operacije koljena, pomoću štaka sam izlazio iz bolnice. Na izlazu sam susreo djevojku koja je također hodala pomoću dvije štake. Tamo gdje je prije bila noga, vidio se samo velik zavoj. Čuo sam da joj je dan ranije noga amputirana zbog vrlo agresivnog raka kostiju. Na moje zaprepaštenje, djevojka je bila vedra i šalila se s osobljem koje je očigledno dobro poznavala. Meni se slika tog nasmiješenog lica usjekla u pamćenje i često se sjetim tog susreta.

Rak kostiju (osteosarkom) vrlo je agresivan oblik karcinoma i uglavnom se javlja kod mladih osoba. Ovisno o tome u kojem je stadiju otkriven, liječi se raznim kombinacijama kirurških zahvata i kemoterapije. Uklanjanje dijela koštanog tkiva ostavlja operiranu kost vrlo krhkom. Zbog toga se već desetljećima traže postupci za učvršćivanje i ozdravljenje oštećenih kostiju. Kad su oštećenja posljedica raka kostiju, osim konstrukcijskih poboljšanja kosti treba voditi brigu i o tome da se spriječi daljnje širenje karcinogenih stanica, ukoliko ih je ostalo nakon operacije.

Jedan je od najčešćih tretmana ozbiljnih oštećenja kostiju presađivanje koštanog materijala sa zdravog dijela kostura na oštećeni dio. Prednost ove metode jest to da ne može doći do odbacivanja implantata, ali se ujedno stvara rana na drugom dijelu tijela. Metoda presađivanja može se značajno unaprijediti tako da se umjesto koštanog tkiva upotrijebe sintetski materijali. Jedan od takvih materijala su biostakla. Ona su dobar odabir, jer lako otpuštaju ione potrebne za vezivanje uz kost i njenu regeneraciju. Pored toga, mogu se kombinirati s 3D printanjem, postupkom u kojem se oštećena kost snimi, a potom računalo upravlja tiskanjem materijala tako da se dobije točan oblik implantata. Koliko su važne ove metode govori i podatak da se u SAD-u u periodu od petnaestak godina oko dva milijuna ljudi tretiralo postupcima presađivanja koštane mase.

Upotreba bioaktivnih stakala u tretmanu oštećenih kostiju poznata je dulje vremena. Sve je započelo prije nešto manje od šezdeset godina slučajnim susretom jednog pukovnika američke vojske i profesora sa Sveučilišta Florida koji su zajedno putovali autobusom vraćajući se s nekog stručnog sastanka. Taj susret doveo je u konačnici do toga da se stakleni materijal upotrijebi u eksperimentima s kostima živih organizama. Profesor Larry Hench se bavio otpornošću stakala na utjecaj radijacije. Pritom je stvarao stakla različitih struktura i poroznosti. U razgovoru koji su vodili tokom putovanja, pukovnik, koji se upravo bio vratio iz Vijetnama, rekao je da je tisuće ekstremiteta ranjenih vojnika moralo biti amputirano, jer je organizam odbacivao sve materijale za regeneraciju i potporu kostiju. Zbog toga je predložio Henchu da napusti radijaciju i da se posveti eksperimentima s kostima. Hench ga je poslušao i napravio silikatna stakla sa značajnom količinom iona fosfora i kalcija. Proizveo je staklo u obliku malih kockica u čijim su šupljinama bili pohranjeni spojevi fosfora i kalcija. U kontaktu s tjelesnim tekućinama miševa, u početnim stupnjevima istraživanja, ioni kalcija i fosfora prešli su na površinu stakla i čvrsto se vezali na tretiranu kost. Pokazalo se da je bilo lakše slomiti kost nego od nje odvojiti vezano staklo. Nakon toga su uslijedili brojni eksperimenti s različitim strukturama stakala i različitim ionima.

Danas biostakla možemo definirati kao vrstu keramike s bioaktivnim komponentama. Te su aktivne supstance oksidi kalcija, natrija, silicija i fosfora. U kontaktu s tjelesnim tekućinama, na staklu se formira sloj kalcija i fosfora. Taj sloj veže se uz kost i potiče rast kosti. Osim što popunjava rupe izazvane traumom ili bolešću, učvršćuje i podupire cijelu strukturu. Poznato je da biostakla pokazuju i antimikrobnu aktivnost. Nažalost, zbog krhkosti samih stakala, njihova upotrebljivost prilično je ograničena. I pored tih ograničenja mnogim su pacijentima biostakla pomogla u liječenju oštećenja kostiju. Prije desetak godina profesor Hench rezimirao je situaciju u njihovoj kliničkoj upotrebi: "Moramo se sjetiti kako prije četrdesetak godina nije bilo zamislivo da postoji sintetski materijal koji živo tkivo neće odbaciti. Sada su biostakla klinička realnost koja je pomogla desecima milijuna ljudi."

Profesor Richard Martin, vođa istraživačkog tima na Sveučilištu Aston (Foto: Aston University)

Nedavno je istraživačka grupa sa Sveučilišta Aston u Birminghamu, u Engleskoj, opisala svoje pokuse s bioaktivnim staklima zasićenima galijevim ionima u znanstvenom radu objavljenom u časopisu "Biomedical Materials". Pokusi su pokazali da u otopinama sa zdravim koštanim stanicama i stanicama raka kostiju galijeva biostakla u roku od nekoliko dana ubiju 99 posto svih karcinogenih stanica. Zdrave stanice bile su uništene u daleko manjem broju, zato što su stanice raka metabolički puno aktivnije u prikupljanju nutrijenata i minerala potrebnih za svoj život, tj. za rast tumora.

Galijevi ioni toksični su i kao takvi su vrlo interesantni za tretiranje raznih tipova karcinoma. U slučaju raka kostiju galijevi ioni, osim što uništavaju stanice raka, također usporavaju proces resorpcije koštanih stanica. To je važno zbog toga što pacijenti imaju malu gustoću kostiju i povećanu mogućnost lomova. Galijevi ioni se već duže vrijeme koriste u medicini. Na primjer, galijev nitrat (u prodaji poznat kao Ganit) u upotrebi je kao intravenozan lijek za hiperkalcemiju koja je povezana s metastazama na kostima. Druga formulacija galija, ona u obliku galijevog maltolata, uzima se oralno da bi se zaustavilo širenje zloćudnih stanica, posebno onih karcinogenih. Prednost metode s galijevim biostaklima u tome je da se galijevi ioni donose točno na mjesto gdje je karcinom, za razliku od oralnog tretmana. Takvim tretmanom se značajno smanjuje negativni utjecaj galija na zdrave stanice, kako je to neizbježno kod oralne upotrebe.

Naši se kosturi neprekidno obnavljaju. Mrtve stanice se resorbiraju, a istovremeno nastaju nove. Za te procese najbitnije su dvije vrste koštanih stanica: osteoblasti (stvaraju stanice) i osteoklasti (uklanjaju stanice). U navedenim pokusima pokazalo se da strada i jedan mali dio osteoblasta, tako da bi galijevo svojstvo da usporava resorpciju dalo dodatnu dobru kvalitetu budućim tretmanima in vivo.

Do sada su biostakla bila rađena s konstruktivnim jedinicama veličina nekoliko desetaka mikrona. Uz sve dobrobiti koje ova metoda daje pacijentima, ostaje problem izdržljivosti tih implantata na ciklička opterećenja. Normalan život zahtijeva kretanje, a kretanjem se ciklički opterećuju svi dijelovi kostura. Stakla općenito nisu elastična i pod opterećenjem lako pucaju. Ti su problemi rano uočeni, pa su rađeni eksperimenti u kojima su stakla kombinirana s polimerima. No, ni ta rješenja nisu se pokazala dugotrajno stabilnima. Zbog toga su se istraživači okrenuli nanomaterijalima kao mogućim potporama biostaklima. U toku su mnogobrojna istraživanja u kojima se kombiniraju stakla s ugljikovim nanostrukturama, čime bi se mogla povećati fleksibilnost implantata. Naime, ugljikove nanostrukture kao što su nanocijevi i grafen iznimno su čvrsti i fleksibilni materijali i kao takvi su idealni kandidati za potporu biostaklima.

U eksperimentima s galijem istraživači su razvili nekoliko novih struktura s ciljem da poboljšaju rast kostiju uz istovremeno liječenje karcinoma. Eksperimenti in vitro bili su vrlo uspješni. Za klinička istraživanja oni predlažu da se galijeva biostakla formuliraju u pastu koja bi se direktno stavljala u zahvaćeni dio kosti.

Brzina kojom se ove metode razvijaju pruža nadu da će mnogi mladi ljudi u skoroj budućnosti izbjeći sudbinu djevojke s početka ovog teksta i nastaviti svoj život kao i svi njihovi vršnjaci.