informacje



Pokazywanie postów oznaczonych etykietą błędy. Pokaż wszystkie posty
Pokazywanie postów oznaczonych etykietą błędy. Pokaż wszystkie posty

piątek, 5 stycznia 2018

Paramedycy kochają In Vitro

Wydawałoby się, że głównym problemem z medycyną alternatywną, naturalną czy niekonwencjonalną, jest ignorowanie osiągnięć nauki. Jednak przeglądając tego typu portale odnoszę często odmienne wrażenie. Ich problemem jest także powoływanie się na osiągnięcia naukowe. Tylko że źle zrozumiane.

Jedną z takich charakterystycznych sytuacji daje się zauważyć na portalach i blogach dietetycznych, zdrowotnych czy zielarskich, które co i rusz donoszą, że oto właśnie odkryto, że "x leczy raka/odchudza/odmładza/uinteligentnia" i przypadkiem właśnie to x można kupić jako suplement.
I jeżeli artykuły takie powołują się na jakieś prawdziwe badania (powoływanie się na zasadzie: rosyjscy naukowcy, nie podamy jacy, odkryli, nie podamy jak, że x leczy y, ale nie powiemy skąd to wiemy - się nie liczy) to zazwyczaj są to bardzo podstawowe badania, w których nie badano rzeczywistego wpływu na chorego pacjenta, tylko na jego kawałek. A konkretnie na preparat wyizolowanych komórek, umieszczonych w szklanym naczyniu i potraktowanych jakimś roztworem. Jako że zaś szkło zwie się po łacinie "vitrum", a naukowcy chętnie wszystko latynizują, badanie takie nazywa się eksperymentem in vitro*.

Badania na izolowanych komórkach stanowią jedną z najbardziej podstawowych technik biomedycznych, służących do zbadania wpływu biologicznego interesującej nas substancji. Jeśli działa ona poprzez wpływ na enzym, receptor czy jakąś część komórki, to efekty powinny być możliwe do zauważenia i zmierzenia już w tak bardzo uproszczonym modelu. W ten sposób testuje się na przykład efekty toksyczne czy mutagenne, sprawdza się aktywność substancji przeciwwirusowych czy selektywnych blokerów receptorów.
Ostatnio coraz częściej testami na komórkach, ich wyhodowanych warstwach czy fragmentach skóry pobranych od dawców zastępuje się testy kosmetyków na zwierzętach.  Są więc w nauce ważne, ale przy interpretacji wyników trzeba pamiętać, że jednak mimo wszystko dotyczą dość specyficznej sytuacji. Opierają się o uproszczony model działania na organizm, a modele takie zazwyczaj mają swoje ograniczenia.

Bierze więc nasz badacz preparat komórek chorobowo zmienionych, dzieli na wiele małych próbek i traktuje różnymi stężeniami badanej substancji, powiedzmy wyciągu z czosnku albo może pochodnej dinitrofluorenometoksybenzochinonu. Po inkubowaniu w kontrolowanych warunkach dodaje do próbek wskaźnik żywotności, aktywności metabolicznej czy innych parametrów komórkowych, po czym sprawdza ile komórek wykazuje sygnał, w jakim stopniu wskaźnik uległ przemianie czy wchłonięciu.[1],[2] I otrzymuje wynik, że w próbce umieszczonej w próbówce, w roztworze takim a takim, po potraktowaniu badaną substancją, N % komórek wykazało zmiany. I wszystko ładnie, tylko co z tego?
Droga do kandydata na lek - 1 Wybór technik pozwalających w uproszczonym modelu sprawdzić na jaki parametr biologiczny substancja ma działać; 2. Przesiewowe testy na płytce sprawdzające jakie substancje z danej grupy wykazują jakieś działanie na badany preparat; 3. Testy in vitro konkretnych substancji, sprawdzające mechanizm i siłę działania; 4. Testy in vivo na modelu zwierzęcym; 5 Mamy kandydata do testów klinicznych. 90% badanych substancji nie dochodzi do ostatniego etapu.

 Z tego typu doniesieniami z badań in vitro jest ten problem, że trudno je wprost przełożyć na działanie na żywy organizm. Zwykle polegają one na tym, że traktuje się wyciągami próbkę komórek i sprawdza różnice w pewnych subtelnych parametrach. Tylko, że nie można na takiej podstawie wyciągać zbyt szybkich wniosków. Jest to raczej wskazówka, że skoro w danym procesie w organizmie znaczenie ma pewien enzym, receptor czy szlak sygnałowy, a nasza substancja wpływa na ów enzym/receptor/szlak, to zadziała też na proces w organizmie, ale aby móc to z całą pewnością powiedzieć należałoby przetestować to na tymże organizmie całym i żywym. Wynik testu in vitro jest więc wskazówką co do tego co można dalej testować, a co nie ma potrzeby, odsiewając preparaty nieczynne od najbardziej obiecujących.
W ten sposób szybko sprawdza się setki substancji o potencjale czynności biologicznej i ich drobne chemiczne pochodne. Testuje się jeden po drugim różne modyfikacje znanych antybiotyków czy setki naturalnych alkaloidów izolowanych z egzotycznych roślin. Jest to jednak dopiero początek drogi, przed nami jeszcze wiele innych testów, mających upewniać, ze nie wypuszczamy na rynek bubla o wartości placebo. Jeśli dla jakiejś substancji mamy tylko i wyłącznie testy na preparatach komórkowych a nie kliniczne, wówczas nie jest to żaden dowód działania, tylko jak wspomniałem, wskazówka. W takiej sytuacji mówienie, że dana substancja już teraz, na pewno wykazuje działanie na człowieka stanowi nadużycie. A w najlepszym razie nadmiar entuzjazmu.

W dodatku warto pamiętać, że istnieje na prawdę bardzo dużo substancji, które stuprocentowo zabijają w próbówce komórki nawet najzłośliwszego nowotworu. Myślę że domowy wybielacz wystarczałby w zupełności, ewentualnie stężony roztwór soli, kwas siarkowy czy podgrzanie całej próbówki do wrzenia. Informacja sprowadzona wyłącznie do "x niszczy w próbówce komórki raka" jest poznawczo bezwartościowa, bez wiedzy czy przypadkiem równie źle nie działa na komórki zdrowe. Czy przypadkiem nie jest po prostu tak szkodliwa, że zabiłaby pacjenta lepiej niż choroba

  Niestety wielu miłośników medycyny alternatywnej (oraz dziennikarzy popularnych gazet) uprawia takie właśnie zbyt szybkie wnioskowanie, połączone z pompowaniem efektownych haseł. Eksperymenty mają mieć znaczenie już teraz, bez wdawania się w niuanse i prawdopodobieństwa. Wyniki badań należy od razu zamienić w gotową praktyczną poradę dla czytelnika. Odbywa się to na zasadzie: "Jak stwierdzili amerykańscy naukowcy, wyciąg z korzenia berberysu zmniejszał proliferancję komórek nowotworowych prostaty o 10% bardziej niż u zdrowych... A zatem herbatka z bererysu leczy raka i to na pewno lepiej niż chemioterapia! Musicie ją pić!".


Bo komórki to nie organizm
Głównym problemem w przenoszeniu badań na pojedynczych komórkach na działanie substancji na organizm, jest kwestia zmieniającej się ze skalą złożoności układu. Co innego komórki nowotworowe i może obok zdrowe w odpowiedniej zalewie, a co innego podanie równoważnej ilości do organizmu złożonego z dziesiątków typów komórek i tkanek prowadzących różne przemiany metaboliczne. To, że substancja na szalce nie wpływała istotnie na powiedzmy hepatocyty, nie oznacza że podobnie mało wrażliwe będą na nią neurony czy nefrocyty. Tymczasem często okazuje się, że to co ma leczyć chorobę w jednej części organizmu, wywołuje ją w innej. Jeśli zaś bilans zysków i strat pokaże, że korzyści zdrowotne nie są w stanie przeważyć skutków ubocznych, to taka substancja nie może stać się lekiem.

 Jeśli wyniki badań in vitro i na modelu zwierzęcym są obiecujące, przeprowadza się badania kliniczne I fazy, polegające na podawaniu różnych dawek zdrowym osobom i sprawdzaniu reakcji, zależności między dawką a stężeniem, szybkości eliminacji itp. I zwykle wychodzą na jaw efekty które wcześniej były trudno uchwytne, na przykład substancja wpływa na psychikę lub uczulająco albo po prostu na człowieka w całości działa inaczej niż się wydawało.
Właśnie na tym etapie wykłada się większość badanych substancji.

To co sprawdzało się w wyidealizowanym modelu komórkowym, okazuje się nieprzydatne lub niebezpieczne dla żywego organizmu. Co z tego, że na szalce kwas dichlorooctowy zabijał komórki raka, skoro podany pacjentom powodował paraliż uszkadzając nerwy? [3] Co z tego, że abryna wydawała się selektywnym środkiem wywołującym apoptozę, skoro podczas testów klinicznych od zatrucia nią zmarł uczestnik?

Podana substancja może też ulegać po drodze różnym przemianom metabolicznym i w ogóle nie docierać do miejsca w którym ma działać. Woda utleniona reaguje z katalazami obecnymi w osoczu i tkankach i nie rozchodzi się po organizmie. Chondroityna czy kolagen nie polepszają stanu stawów bo ulegają strawieniu. Lecytyna hydrolizuje w jelitach i nie dociera do mózgu gdzie rzekomo ma poprawiać pamięć. DMT i inne halucynogeny z tej grupy, zażyte samodzielnie nie wywołają żadnej ciekawej reakcji, z powodu rozkładania przez enzym monoaminooksygenazę.
Przykładowy test - żywe komórki zamieniają dodany wskaźnik w związek o barwie różowej. Stosując w kolejnych dołkach płytki coraz mniejsze stężenia badanych substancji, łatwo określić przy jakim najmniejszym stężeniu dana konkretna hamuje rozwój komórek. Stąd

Problem ilości
Odmienne działanie na organizm niż na pojedyncze komórki, jest częściowo pochodną bardziej ogólnego zjawiska - mianowicie warunki po podaniu substancji pacjentowi są też pod tym względem inne niż test in vitro, że problematyczne jest osiągnięcie w organizmie stężenia takiego jak w testach.

Zobaczmy na przykład jak wygląda doniesienie[4] reklamowane na alternatywnomedycznych portalach w formie "herbatka z mniszka zabija raka w 48 godzin". W badaniu porównywano wpływ wyciągu z korzeni na komórki czerniaka i komórki skóry zdrowe. Stwierdzono wystąpienie efektu (spadek wskaźnika żywotności komórki) o wielkości ponad 50% po czasie 48 godzin na komórkach rakowych linii A375 w stosunku do linii komórek zdrowych. Sukces? Być może, ale w badaniu na komórkach czerniaka z linii G361 (odporna na leczenie) wyciąg o tym samym stężeniu wykazywał działanie odwrotne - w porównaniu z komórkami zdrowymi przeżywały o 20-50% lepiej.
Dopiero użycie jeszcze większego stężenia pozwoliło na otrzymanie pozytywnych skutków.

Mogłoby to oznaczać, że na niektóre typy czerniaka (czerniak może być wywołany wieloma różnymi mutacjami) wyciąg wodny z mniszka działa kancerobójczo a na inne w zbyt małym stężeniu wręcz ochronnie. I weź tu zgadnij jaki typ spośród setek możliwych mutacji ma osoba której poleca się herbatkę.

Drugi problem to użyte stężenia. Efekt apoptyczny pojawiał się dla stężeń 2,5 mg/ml dla jednej linii komórek i 10 mg/ml dla drugiej linii, utrzymywanych w otoczeniu komórki przez 48 godzin. Stężenia dotyczą przy tym ilości użytego liofilizowanego ekstraktu wodnego, czyli ekstraktu który odparowano otrzymując suchy proszek, z którego sporządzano potem roztwory.
Stężenia 2,5 mg/ml i 10 mg/ml to 2,5g/l i 10 g/l. Takie stężenie powinny osiągnąć substancje z ekstraktu w płynie otaczającym komórki aby warunki były podobne jak w badaniu in vitro, w przypadku pacjenta będzie to krew. Ponieważ człowiek ma w organizmie 5 litrów krwi, powinien wchłonąć od 12 do 50 g suchej substancji ekstraktu. Ale, ale - wyciąg wodny z mniszka zawiera małą ilość substancji rozpuszczonych. Aby wchłonąć takie ilości suchych substancji ekstraktu, pacjent musiałby wypić kilkanaście litrów naparu otrzymanego z powiedzmy kilku kilogramów mniszka. I utrzymywać takie stężenie przez 48 godzin... O ile oczywiście substancje aktywne (nie wiadomo nawet jakie) wchłoną się dostatecznie dobrze, bo mogą mieć niską, kilkuprocentową wchłanialność. O ile nie rozłożą się w organizmie pod wpływem enzymów. O ile nie okaże się, że w tak dużym stężeniu wywołują groźne skutki uboczne, których nigdy dotąd nie obserwowano, bo nikomu nie udało się uzyskać ich 1% stężenia we krwi.

Jednak portale powołujące się na te doniesienia nie przejmują się szczegółami. Dla nich ważne jest tylko stwierdzenie, że herbatka ze znanego zioła "leczy raka w ciągu 48 godzin", mogą dzięki temu polecać czytelnikom aby sobie czasem popijali po szklance i mieli złudne przekonanie, że to ich przed czymś chroni. To tak jakby polecać na ból głowy 1/80 tabletki aspiryny.

Jeśli jednak już uda się nam podać odpowiednio dużą dawkę związku, może się okazać że jest on w takiej ilości generalnie toksyczny. Przykładem mogą być ekstrakty z zielonej herbaty - wiele jest badań wskazujących na prozdrowotne właściwości zawartych w niej polifenoli, są także badania in vitro pokazujące wpływ hamujący na wzrost komórek rakowych. Jednak efekt stawał się wyraźny przy stosunkowo dużych stężeniach, będących odpowiednikiem wypijania dziennie 2-3 litrów naparu. Na szczęście z pomocą przyszli nam farmaceuci, oferujący suchy ekstrakt z zielonej herbaty w kapsułkach, pozwalający dostarczyć organizmowi trudne do uzyskania w normalny sposób dawki.
I niestety okazuje się że w tych dużych ilościach ekstrakt z zielonej herbaty uszkadza wątrobę. Te same polifenole, które w mniejszych ilościach likwidują wolne rodniki, w większych zaburzają działanie mitochondriów w których działaniu rodniki powstawać muszą.[5]


Przyprawione komórki fałszują wyniki
Innym aspektem jest niedoskonałość samych metod badawczych. Prawdzie zmiany na wyizolowanych komórkach są łatwiejsze do opracowania, bo zbadać możemy od razu ich większą ilość i opisać wyniki ilościowo i statystycznie, ale w pewnych przypadkach charakter testowanej substancji może powodować błąd.
Jednym z najczęściej stosowanych sposobów określenia żywotności komórek, jest podanie wskaźnika, który zostaje w żywych komórkach zmetabolizowany do formy, która świeci w ultrafiolecie. Im słabiej więc będzie świecić zawiesina komórek, tym gorsza jest ich żywotność. Wystarczy potraktować szereg próbówek badaną substancją, zmierzyć stosunek intensywności świecenia do stężenia i mamy wynik.

Zastanówmy się jednak co takiego się stanie, gdy badana substancja przypadkiem dobrze pochłania ultrafiolet. Wciąż żyjące i dobrze się mające komórki, które ją wchłoną, będą świeciły słabiej, tak jakby brakło im trzy ćwierci do śmierci. Idźmy dalej - porównujemy wpływ tej substancji na komórki zdrowe i na chore, i te chore z pewnych powodów wchłaniają tej substancji więcej. Będą zatem świeciły wyraźnie słabiej od zdrowych, a nasze wyniki zostaną zafałszowane. Można temu przeciwdziałać uzupełniając badanie o drugą serię z innym wskaźnikiem, na przykład działającym odwrotnie (świecenie oznaką śmierci komórki). Bardzo duża różnica między wynikami z tych dwóch serii będzie wskazówką, że w eksperymencie tkwi błąd. Można też tak zaprojektować doświadczenie, aby ten efekt zminimalizować, na przykład stosując dalszą obróbkę zawiesin komórkowych, podczas której usuwamy badaną substancję a nie wpływamy na zmetabolizowaną formę wskaźnika, czy stosując taki zakres UV który nie jest pochłaniany.
Wszystko to mogłoby bardzo pomóc uzyskać poprawne wyniki, ale wymagałoby dodatkowych nakładów, oraz mogłoby sprawić, że bardzo obiecujące wyniki nie będą już tak zachwycające.

Przykładem takiej sytuacji są omawiane w zeszłorocznej analizie z Nature badania aktywności biologicznej kurkumy [6]. Jest to żółtopomarańczowy pigment, dobrze rozpuszczalny w tłuszczach, będący składnikiem przyprawy kurkumy oraz mieszanki curry. Od lat bardzo intensywnie bada się kurkuminę, która okazała się posiadać bardzo obiecujące właściwości przeciwnowotworowe, przeciwzapalne, neuroprotekcyjne czy przeciwwirusowe. Spora część z tych właściwości została stwierdzone w badaniach in vitro. Problem w tym, że lipofilna kurkuma osadza się w błonach komórek i zasłania ich wnętrze, oraz jest przypadkiem... substancją pochłaniającą ultrafiolet.

W przeglądzie badań kurkuminy autorzy stwierdzili, że duża część eksperymentów w ogóle nie brała tego czynnika przeszkadzającego pod uwagę; wykonano je tak, jakby barwna substancja o charakterze pigmentu była przezroczysta. Drugim problemem badań nad tą substancją, było użycie zanieczyszczonych preparatów. Jeśli jako "kurkuminę" użyto wyciągu z kłącza ostryżu, to w rzeczywistości badana substancja była mieszaniną dziesiątków związków. Kurkumina mogła fałszować wyniki także za sprawą własności chelatowania metali (np. nie odwracała skutków toksyczności metali ciężkich na komórki, tylko zmniejszała ich ilość w roztworze), aktywności redoks (utlenianie lub redukowanie wskaźników poza komórką), tworzenie agregatów a w pewnych warunkach rozkład na zupełnie inne substancje.
Wiadomo na przykład, że w warunkach lekko zasadowych, podobnych do odczynu krwi, kurkumina staje się niestabilna, co przyspiesza w temperaturach wyższych niż pokojowa; obserwowane efekty mogą więc wynikać z działania produktów rozkładu (a skoro tak, lepiej jako leki testować je właśnie) o trudnym do określenia stężeniu w czasie doświadczenia.
W stężeniach zbliżonych do używanych w doświadczeniach wykazuje skłonność do tworzenia agregatów z białkami i lipidami, które mogą naśladować selektywną inhibicję. Związek po prostu oblepiał komórkę, zamiast wybiórczo wiązać się z wybranymi białkami, biorącymi udział w procesie chorobowym. Gdy w testach badających siłę wiązania z enzymami, do kurkumy dodano nieaktywny biologicznie detergent zapobiegający tworzeniu agregatów, zmierzona aktywność związku spadała wyraźnie. Bez niego cząsteczki enzymu w roztworze zlepiały się przy udziale kurkuminy w białkowe kłębki.

W cytowanym badaniu przeciwdziałania formowania się włókien białek Tau, które odpowiadają za rozwój choroby Alzheimera, pierwszy test wydawał się bardzo obiecujący. Eksperyment oparty o badanie intensywności fluorescencji tioflawiny, gromadzącej się w złogach białkowych, wydawał się pokazywać, że kurkumina hamuje powstawanie włókien w bardzo małych stężeniach. Eksperyment używający techniki fluorescencji polaryzacyjnej pokazał jednak wynik odwrotny, kurkumina działała bardzo słabo. Później okazało się, że kurkumina pochłaniała światło w zakresie w którym świeciła tioflawina, czyli zasłaniała ją fizycznie, udając aktywność biologiczną.

Konkluzją autorów było stwierdzenie, że duża część badań mających wykazywać wysoką siłę leczniczą kurkuminy, została przeprowadzona w warunkach w których większą rolę zaczynają odgrywać czysto fizyczne właściwości związku, które fałszowały wyniki. Natomiast w badaniach dobrze przeprowadzonych, w których unikano tych niepożądanych efektów ubocznych, kurkumina okazywała się działać dość słabo. Nie skreśla to całkiem tego związku, są bowiem badania wskazujące, że w pewnych przypadkach ma on faktycznie pewne zastosowanie, pokazuje jednak, że ostatnia moda na polecanie tej przyprawy w charakterze panaceum na wszystko, ma w rzeczywistości bardzo kruche podstawy.

Zbliżone efekty zakłócające może wywoływać reserwatrol, polifenol występujący między innymi w czerwonym winie, o bardzo obiecujących właściwościach biologicznych. Jedną z technik badania intensywności metabolizmu w komórkach, jest oznaczanie ilości wytwarzanego ATP. Do preparatu z rozbitych na kawałki komórek dodaje się lucyferynę i enzym lucyferazę. Substratem reakcji jest ATP z cytoplazmy.
Jak wykazały badania, reserwatrol jest inhibitorem lucyferazy. Może więc sprawiać wrażenie, że zmniejszył ilość ATP w traktowanych nim komórkach, gdy tak na prawdę jedynie zahamował reakcję odczynnika.[7]

Samo in vitro nie wystarczy
Jak to już wspominałem, jeśli ktoś reklamujący gotowy preparat oferuje go chorym jako działający lek, a na poparcie ma tylko i wyłącznie wyniki testów in vitro, to oszukuje potrzebujących. Albo jest świadomym oszustem albo nie rozumie badań na które się powołuje.
Na takich właśnie dowodów opiera się duża część reklam cudownych leków, witamin czy używek, w ostatnim czasie widziałem dużo artykułów o medycznej marihuanie, w których dowodami były tylko takie badania. Weźmy choćby taki popularny w internecie artykuł [8] twierdzący, że działanie marihuany potwierdza aż 100 badań naukowych. Wśród zaprezentowanych linków znalazło się kilkanaście prac przeglądowych (czyli podsumowania innych, w tym cytowanych w artykule, prac, nie będące kolejnym badaniem), kilka prac w których nie badano wpływu zdrowotnego tylko farmakokinetykę (szybkość wydalania i metabolizmu) oraz prawie 80 prac w których badano wpływ różnych kannabioidów na linie komórkowe w próbówkach. (tak, przejrzałem wszystkie linki)
W sekcji na temat chłoniaka nie zacytowano żadnego badania dotyczącego marihuany, wszystkie cztery dotyczyły wpływu syntetycznego związku anandamidu, który jest agonistą receptorów kannaboidowych; znalazły się w tym zestawieniu  tylko z powodu nazwy receptora. W sekcji "nowotwory szyi i głowy" zacytowano badanie, które... w ogóle nie dotyczyło leczenia nowotworów; stwierdza się w nim jedynie, że z ankiet u pacjentów z nowymi diagnozami wynika większe ryzyko nowotworów u palących tytoń i pijących alkohol i brak zmiany ryzyka u palących trawkę. Między stwierdzeniem "x nie wpływa na nowotwory" a twierdzeniem "to badanie potwierdza, że x leczy nowotwory" jest potężna różnica.

I właśnie dlatego marni dziennikarze, sprzedawcy tabletek i paramedycy, tak gorąco kochają in vitro.
--------
* Natomiast  eksperymentach na żywych organizmach to "in vivo". Dla porządku wymyślono też określenie dla "eksperymentów" symulacyjnych na komputerach, czyli "in silica" jako że jak na razie mikroprocesory są oparte o półprzewodnikowy krzem. Zastanawia mnie jak w tej sytuacji określić eksperymenty myślowe - In mentis?

[1] Metody badania aktywności leków in vitro
[2] Techniki stosowane w badaniach toksyczności in vitro.

[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16476929
[4]  https://www.hindawi.com/journals/ecam/2011/129045/

[5] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1742-7843.2004.pto_950407.x/full
[6]  http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.6b00975

[7]  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17064666/

[8] https://motywatordietetyczny.pl/2016/05/ponad-100-badan-naukowych-potwierdza-marihuana-niszczy-raka/

środa, 30 marca 2016

Wybuch powietrza?

Co pewien czas w mediach pojawia się informacja o tym, że jakiś student używający sprężonego powietrza do czyszczenia komputera wywołał wybuch. I zawsze wówczas ludzie zaczynają się zastanawiać, jak to możliwe, że powietrze wybuchło. Cały problem polega bowiem na tym, że popularną, handlową nazwę produktu, utożsamia się ze składem - a to dwie różne rzeczy.

Tak zwane "sprężone powietrze" to zapuszkowany gaz pod ciśnieniem, zwykle skroplony, który po uwolnieniu tworzy szybki, suchy strumień z łatwością wydmuchujący kurz, okruchy kanapek i chipsów z różnych zakamarków sprzętów elektronicznych, nie wprowadzając jednak wilgoci mogącej wywołać spięcia i uszkodzenia.
Wśród rodzajów takich puszek znajdują się rzeczywiście puszki z powietrzem sprężonym do ciśnienia kilku atmosfer, te jednak nie starczają na zbyt długo, dlatego w większości używane są łatwe do skroplenia, niskowrzące gazy. Trudno byłoby użyć w tym celu skroplonego powietrza, które staje się ciekłe dopiero w temperaturach rzędu -110 °C a skroplenie go w temperaturze pokojowej wymaga na tyle dużego ciśnienia, że grubościenna butla ciśnieniowa byłaby cokolwiek nieporęczna. Dlatego większość tego typu produktów zawiera w sobie inne niż powietrze substancje i niektóre z nich są gazami palnymi.

Generalnie powinno się o takich produktach myśleć jak o dezodorantach tylko bez zapachu.

Rozprężenie i odparowanie zawartości puszki bardzo ochładza strumień gazu. Przy obchodzeniu się z takimi preparatami trzeba więc uważać, aby sobie czegoś nie odmrozić. Niekiedy konstrukcja opakowania powoduje, że przy niewłaściwym ustawieniu (na boku lub do góry nogami) z dyszy może wyciec skroplony gaz, a ten odparowując też może wywołać silne odmrożenia.

Propan, butan
Zdecydowanie najtańszym gazem pędnym używanym w puszkach "sprężonego powietrza" są lotne węglowodory w tym propan, butan i izobutan, oznaczane odpowiednio R290, R 600 i R 600a . Oznacza to, że równie dobrze można taką puszką napełniać zapalniczki. Jak łatwo się domyśleć, mieszanka jest skrajnie łatwopalna. Opróżnienie puszki w pomieszczeniu może w razie powstania iskry lub pojawienia się ognia wywołać wybuch mieszaniny z prawdziwym powietrzem, o czym już przekonało się kilka osób.

Przykładowe produkty oparte o tą mieszankę:
- Sprężone Powietrze Hart, AAB Cooling, Active Jet "Compressed Air",

Eter dimetylowy
Innym chętnie stosowanym gazem jest eter dimetylowy (R-E170), opisywany też jako tlenek dimetylu, gaz o specyficznym eterowym zapachu, skraplający się w temperaturze -22 °C. Jest łatwopalny, może być używany jako paliwo zamiast gazu LPG, w mieszankach z powietrzem może być wybuchowy

Przykładowe produkty:
Airduster Plus, Semicon "Dust Off"

HFC
Stosunkowo często używanym typem gazów pędnych są fluorowane węglowodory, przy czym ze względu na  temperatury skraplania są to najczęściej fluoroetany.
Gaz oznaczany na opakowaniach jako HFC-152a to 1,1-difluoroetan (C2H4F2 ). Pod normalnym ciśnieniem skrapla się w temperaturze −25 °C. Skierowany na otwarty ogień może się zapalić wydzielając fluorowodór. Jest też podejrzewany o wywoływanie zaburzeń rytmu serca u osób regularnie wdychających go w większych ilościach dla odurzenia.

Gaz oznaczany R-143a to 1,1,1-trifluoroetan (nazywany też po prostu trifluoroetanem) wrzący w temperaturze -43 stopni, nietoksyczny, mało palny.

Najmniej palnym gazem używanym w puszkach "sprężonego powietrza) jest R-134a czyli 1,1,1,2-tetrafluoroetan wrzący w temperaturze −26.3 °C, nietoksyczny gaz używany w instalacjach chłodniczych w zastępstwie freonów. Jest też używany jako rozpuszczalnik i gaz pędny w aerozolach, w tym w inhalatorach medycznych.

Przykładowe produkty:
- Active Jet "Compressed Non Flammable Air", Wurth "Sprężone powietrze w sprayu", Semicon "Dust Off"

Używając takich produktów należy zatem pamiętać o dobrym przewietrzeniu oraz uważać aby w pobliżu nie znalazł się otwarty ogień lub źródło iskier. Przy kupnie, jeśli chce się używać najmniej palnych, można kierować się wymienionymi oznaczeniami liczbowymi, lub szukać oznaczeń "non flammable". Warto też zwrócić uwagę na piktogramy na puszce. Na tych ze skrajnie łatwopalną zawartością powinien pojawić się odpowiedni znaczek:
I/lub litera F+
Sklepy sprzedające puszki sprężonego "powietrza" powinny zresztą posiadać i udostępniać karty charakterystyki zawierające informacje o niebezpiecznych składnikach


Zamrażacze
Zamrażacze służące do lokalnego schłodzenia elektroniki, bądź do wykrycia uszkodzonych złączy, to w większości bardzo podobne skroplone gazy, dla których konstrukcja zaworu ułatwia wypływ cieczy na zamrażaną powierzchnię. Gwałtowne odparowanie skroplonego gazu ochładza opryskany przedmiot, nieraz do bardzo niskich temperatur.
Jeśli chodzi o skład, z tego co znalazłem większość opiera się na mieszance propan/butan i na tetrafluoroetanie, jak zatem łatwo się domyśleć, są to materiały palne. I niestety tak jak nikomu nie przyszłoby do głowy, że "sprężone powietrze" może wywołać odmrożenia, tak rzadko któremu użytkownikowi zamrażaczy przychodzi go głowy, że zamrażacz może się zapalić. Chyba, że uważnie obejrzy etykietkę.
W wymrażaczach do brodawek i kurzajek zwykle stosowana jest mieszanka propanu i eteru dimetylowego, podczas odparowywania schładzająca lokalnie zmianę skórną do bardzo niskich temperatur, dlatego z nimi też warto uważać.

--------
* https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_duster
* https://en.wikipedia.org/wiki/1,1,1,2-Tetrafluoroethane
* https://en.wikipedia.org/wiki/1,1,1,2-Tetrafluoroethane
* https://en.wikipedia.org/wiki/1,1-Difluoroethane
* https://en.wikipedia.org/wiki/Dimethyl_ether

wtorek, 29 grudnia 2015

Cała tablica Mendelejewa... w soli

To strasznie zabawne, że z jednej strony ludzie się chemii boją a z drugiej ich ona zachęca. I w obu przypadkach odbywa się to na tej samej zasadzie zupełnego braku rozumienia o co chodzi.

Zwrot "to zawiera całą tablicę Mendelejewa" utarł się jako określenie strasznego syfu, mieszanki najprzeróżniejszych chemikaliów. Ostatnio media informowały że "cała tablica" to skład dopalaczy, że jest w wodzie z Wisły, że krąży w powietrzu w Krakowie... I w zasadzie nie próbuje się traktować tego dosłownie.
Dlatego bawi mnie gdy widzę, że dosłownie "cała tablica" może być traktowana jak zaleta. A tak rzecz się ma w reklamach różowej soli himalajskiej.

Sól himalajska to zwykła nieoczyszczona sól kamienna, która za sprawą zanieczyszczenia związkami żelaza przybrała różowo-pomarańczowy kolor i która za sprawą marketingu jest uważana za lepszą i zdrowszą od zwykłej nieoczyszczonej soli kamiennej z innych części świata. W tym od różowej soli kłodawskiej, która nabrała swego koloru z tych samych przyczyn, i której złoża powstały w tym samym czasie. Duże bryły soli kłodawskiej są znane jako element lamp solnych.
Jednym z elementów marketingu na temat soli himalajskiej jest występowanie w niej niezwykle dużej ilości pierwiastków, tym samym ma ona lepiej uzupełniać niedobory mikroelementów. Ten piękny slogan zamienia się we własne przeciwieństwo, gdy spojrzymy na listę tychże pierwiastków zawartych w soli (link). Jest ich 84, w tym także pierwiastki promieniotwórcze i toksyczne. Reklamiarze sami sobie podstawiają nogę taką listą.

Zobaczmy jakie to "niezbędne pierwiastki " w "idealnej kompozycji" się tam znajdują: polon, uran, neptun, pluton, protaktyn, tor, aktyn, rad... wszystkie promieniotwórcze. Czy ktoś teraz powie "zaraz będziemy świecić"? Następnie mamy takie "mikroelementy" jak neurotoksyczna rtęć, trujący tal, ołów, bar, antymon, stront, całkiem sporo fluoru... I cała masa pierwiastków które nie mają żadnego wpływu na organizm, jak choćby wszystkie lantanowce.
Generalnie rzecz biorąc lista podaje wszystkie pierwiastki z wyjątkiem gazów szlachetnych, w dwóch przypadkach dla nietrwałego technetu i samaru podając, że wprawdzie są niestabilne ale nie zostały wykluczone (co oznacza, że ich nie wykryto ale dopisano do listy bo może są).

Jeśli jednak przyjrzymy się dokładniej stwierdzimy, że większość pierwiastków ma zawartość poniżej 0,001 ppm. 1 ppm to jedna część na milion, a więc miligram na kilogram, a tych pierwiastków ma być mniej niż tysiąc razy mniej, prawdopodobnie tak mało, że metoda nie potrafiła oznaczyć ilości. I prawdopodobnie też na granicy błędu aparaturowego. Doprawdy, jeśli wziąć wodę z dowolnego źródła mineralnego i przebadać jej skład z dokładnością do bilionowych części to jest spora szansa, że otrzymamy podobny wynik, ślady rzadkich pierwiastków mogą się bowiem pojawić wszędzie. Tak na prawdę większość tej listy nie ma żadnego znaczenia.
Sól różowa z kopalni w Kłodawie

Lista ta budzi zresztą moje wątpliwości, mam bowiem wrażenie, że wyniki badań ponaciągano jak się dało byle poszerzyć listę. Najwięcej wątpliwości wzbudza podawany poziom fransu, którego wykryto rentgenowsko ok. 1 ppm. Frans to promieniotwórczy pierwiastek o bardzo małej trwałości. Czas połowicznego rozpadu to 22 minuty*, dlatego nawet gdyby złoże składało się pierwotnie z czystego chlorku fransu to po upływie milionów lat nie dotrwałoby z tego ani odrobinę. Wykrywa się go w śladowych ilościach w minerałach towarzyszących uranowi, powstaje bowiem jako produkt pośredni przy jego rozpadzie. Szacuje się, że w danym momencie na całej planecie jest niespełna kilkadziesiąt gramów tego pierwiastka.
Zawartość 1 ppm którą podaje ta tabela oznaczałaby, że w kilkunastu tonach soli znajduje się tyle fransu co na całej planecie co w sytuacji, gdy zarazem uranu z którego frans powstaje ma być w soli tysiąc razy mniej jest niemożliwe. Najprawdopodobniej 1 ppm było granicą oznaczalności urządzenia, zaś za sygnał od fransu uznano szumy. Podobnie mogło być z pozostałymi pierwiastkami o najniższej zawartości <0,001 ppm gdzie uznano, że skoro jest jakiś sygnał poniżej możliwości oznaczenia ilościowego to można podać wartość graniczną i uznać, że pierwiastek jest.

Generalnie różowa sól himalajska w większości składa się z chlorku sodu i mikroskopijne domieszki innych pierwiastków nie zmieniają jej właściwości aż tak bardzo, aby uznawać ją za nie tylko zdrowszą ale wręcz nieszkodliwą - niektóre teksty twierdzą, że nadciśnienie wywołuje tylko biała sól warzona a różowa nie... bo nie. Tymczasem przyczyną zwiększenia ciśnienia tętniczego jest sód niezależnie od źródła. Jeśli ktoś na prawdę chce zadbać o zdrowie niech sobie sprawi sól niskosodową, gdzie dużą część chlorku sodu zastąpiono chlorkami potasu, wapnia i magnezu.
 Różnica między solą różową a solą kamienną tzw. "szarą" polega głównie na tym, że jest sprzedawana w grubych ziarnach dzięki czemu widać jej kolor.
Po zmieleniu na pył do rozmiaru ziarna takiego jak sól sprzedawana u nas, będzie wyglądała na białą z powodu rozpraszania światła, co widać na tym reklamowym obrazku soli himalajskiej różnej grubości:

No i oczywiście jest kilka razy droższa.

---------
* Czas połowicznego rozpadu to czas po którym rozpadowi ulega połowa masy pierwiastka. Zależy on od statystycznego prawdopodobieństwa. W przypadku Fransu z 1 kg czystego pierwiastka po 22 minutach zostaje pół kilo, po następnych 22 minutach zostaje ćwierć, po upływie 2,5 godziny z kilograma pierwiastka zostaje mniej niż 1% po upływie 6 godzin 0,4 mg... Frans jest tak silnie promieniotwórczy, że dotychczas nie otrzymano choćby kawałka w stanie czystym zwłaszcza, że pod wpływem własnej promieniotwórczości natychmiast by odparował.


czwartek, 11 czerwca 2015

6 substancji z którymi wolałbym nie pracować

Inspiracją do wpisu był ten, niedawno opublikowany film popularnonaukowy z serii "Uwaga! Naukowy bełkot":
Jest to cenna seria, w ciekawy sposób przedstawiająca informacje z różnych dziedzin, jednak z tym odcinkiem mam pewien kłopot - autor chyba nie zupełnie rozsądnie zebrał 6 groźnych substancji pod mylącym tytułem a opowiadając o nich zastosował nadmierne uproszczenia. Co postaram się pokrótce objaśnić zanim podam swoją listę

Z czym można pracować i co nie jest naj
Jedną z maksym przypisywanych Einsteinowi jest ta o przekazywaniu informacji, mówiąca że należy upraszczać jak można, ale nie bardziej. Bo jeśli coś uprościmy za bardzo, możemy wprowadzić inną osobę w błąd.
Ten problem dotyczy Polonu-210 opisanego przez autora jako "najbardziej promieniotwórcza substancja znana Ludzkości". Jak tłumaczy w komentarzach, wybrał tą substancję, bo jest dostępna w stosunkowo dużych ilościach, silnie radioaktywna i ma na tyle długi czas półrozpadu, że człowiek zdąży się nią zatruć. Ale o tym w filmie nie wspomina. Widz dostaje tylko prosty przekaz "Polon-210 jest najbardziej promieniotwórczy w ogóle", co nie jest prawdą.

Zgodnie z definicją aktywności promieniotwórczej, jest to szybkość z jaką następują rozpady promieniotwórcze. Największą aktywność mają te z najkrótszymi czasami półrozpadu i małymi masami, z czego wynika że najbardziej promieniotwórczą substancją jest Wodór-7 o czasie półtrwania 2,3×10−23 s i masie 8 unitów.
Tak że akurat Polon-210 byłby raczej "najbardziej promieniotwórczą substancją z jaką można się zetknąć" w tym znaczeniu, że jest stosunkowo dostępny i niektórzy muszą z nim pracować - choć można spekulować czy przypadkiem bardziej szkodliwy nie jest ameryk-243, spotykany w czujnikach dymu, który jest wytwarzany w większych ilościach a oprócz mało przenikliwego promieniowania alfa, produkuje też wysokoenergetyczne promienie gamma.
Podobny problem dotyczy "najbardziej palnej substancji" czyli trifluorku chloru, bo przecież fluorek ten sam w sobie nie jest specjalnie palny - jest natomiast silnym środkiem zapalającym, powodującym zapłon innych substancji z którymi się zetknie, a przy tym przeżerający substancje niepalne.
Myślę, że wśród najbardziej palnych substancji na pewno znajduje się silan, czyli krzemowy analog metanu. Duże powinowactwo krzemu do tlenu i ujemna jonizacja wodoru powodują, że w mieszance z tlenem ulega samozapłonowi w temperaturach około -100 °C, przy czym różne prace podają różne dane, w jednej opisano zapłon mieszanki z powietrzem w temperaturze -162 °C[1] Natomiast silniejszym od trifluorku chloru środkiem utleniającym i zapalającym inne substancje jest zapewne difluorek ditlenu, potrafiący zapalić stały metan w temperaturze 90 K.[2]

Inny problem dotyczy pozostałych substancji - tematem filmu są substancje "z którymi wolelibyście nie pracować" bo są niebezpieczne, trudne do obsługi, groźne jeśli się z nimi zetknąć. Tylko że w tym kontekście materiał wybuchowy oktanitrokuban pomimo swej niesamowitej siły wybuchowej zupełnie do zestawienia nie pasuje, jest bowiem stosunkowo bezpieczny - nie wybucha pod wpływem wstrząsów, nie powinien eksplodować nawet po uderzeniu młotkiem, dopiero wybuch spłonki inicjującej wywołuje eksplozję. Osobiście wolałbym pracować z nim, niż z na przykład chloranem potasu (jest ciekawszy).

Dlatego do zestawienia pasuje właściwie tylko batrachotoksyna, dwucyjan i ten bardzo azotowy materiał wybuchowy, eksplodujący spontanicznie.

Trochę zdziwiło mnie zatem, że autor filmu zapomniał o kilku innych substancjach, które warto tu pokrótce opisać. 

Z czym ja wolałbym jako chemik nie pracować:

1. Diselenek węgla
Analog dwusiarczku węgla, przydatny w niektórych syntezach. A przy tym związek niesamowicie wprost śmierdzący. Po tym jak w 1936 roku otrzymano go po raz pierwszy, konieczna była ewakuacja najbliższej miejscowości, leżącej po zawietrznej stronie laboratorium. Jest lotny, łatwo przenika przez gumę i wchłania się do organizmu, łatwo przenika przez błony komórkowe i jest neurotoksyczny. Chemik pracujący z tym związkiem przez dłuższy czas otoczony byłby banieczką nieznośnego zapachu i bez wątpienia znalazłby wolne miejsce w tramwaju.
Podobne efekty mogą dawać też inne związki selenoorganiczne, jak selenol, analog etanolu, czy selenofenol.

Nie chcę zostać na kilka tygodni człowiekiem-skunksem, więc pracy z tym związkiem będę unikał.

2. Dimetylortęć
Jedna z najsilniejszych znanych trucizn. Dawka śmiertelna dla człowieka właściwie nie jest znana, estymuje się ją na podstawie kilku wypadków śmiertelnych. Znanym przypadkiem było zatrucie badaczki Karen Wetterhahn, której na rękawiczki rozprysnęło się ok. 0,05 ml substancji. Przeniknęła przez rękawiczki i w krótkim czasie wchłonęła się przez skórę w ilości wystarczającej do zabicia. Z batrachotoksyną czy jeszcze silniejszą ciguarotoksyną można w miarę bezpieczne pracować, z dimetylortęcią nie jest już tak dobrze.
Tak że jeśli na prawdę nie będzie mi to do czegoś potrzebne, wolę z tą substancją nie pracować.

3. Benzo-a-piren
Jeden z najważniejszych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) będących rakotwórczymi składnikami dymu. Metabolity benzo-a-pirenu łączą się z DNA wywołując mutacje. Spożyty wywołuje raka żołądka i jelit, obecność w powietrzu sprzyja nowotworom płu, a zanieczyszczenie skóry może wywołać raka skóry. W niektórych badaniach już jednokrotna iniekcja podskórna ekstraktu zwierającego WWA wywoływała nowotwory u badanych zwierzat.

Tak że pracy nad tym związkiem czystym, lub w ekstraktach wolałbym też unikać.

4. Gaz musztardowy
Środek bojowy będący silnym środkiem alkilującym. Wywołuje silne oparzenia skóry które ujawniają się nawet dobę po kontakcie z substancją, wchłonięty drogą inhalacyjną daje objawy zatrucia z dużym opóźnieniem, od 4 do 6 godzin dla małych dawek (dla dużych natychmiastowo). Jest potwierdzonym środkiem rakotwórczym.

Tak więc pragnącym zachować zdrowie i ładną twarz też radzę unikać styczności z tą substancją

5. Azydek sodu
Sól kwasu azotowodorowego, zawierająca trzy połączone atomy azotu. Azydki nieorganiczne zwykle są stosowane w syntezie azydków organicznych, oraz 1,2,3 triazyn, ewentualnie tetrazolu. Niestety azydki są związkami nietrwałymi i bardzo silnie trującymi, porównywalnie z cyjankami. Chętnie hydrolizują do azotowodoru, gazu bardziej toksycznego niż tlenek węgla, który w śladowych, niewyczuwalnych stężeniach jest w stanie wywołać zatrucie. Ekspozycja wywołuje mdłości, bóle głowy, uszkodzenie włókien nerwowych, zaburzenia oddychania zaś działaniem długofalowym po zatruciu jest uszkodzenie wątroby i jąder. Zatrucia tym związkiem wśród chemików są notowane dość często.
Przy ogrzewaniu potrafią eksplodować. Z jonami metali ciężkich tworzą wrażliwe na wstrząsy i nacisk azydki, używane czasem jeszcze w spłonkach.

Tak więc z tymi związkami bez konieczności też dobrze by było nie pracować

6. Siarczan niklu
Ten związek jest akurat stosunkowo często spotykany w laboratoriach chemii nieorganicznej. Jego głównym niebezpieczeństwem jest łatwość wywoływania alergii - powtarzalny kontakt ze związkiem skutkuje rozwinięciem się alergii na nikiel i kilkunastu procent ludzi. A zaistnienie takiej alergii może potem poważnie utrudniać życie, w związku z występowaniem niklu w wielu stopach metali używanych w elektronice czy medycynie.

------
[1] http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/24448.pdf
[2] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00893a004

czwartek, 12 lutego 2015

Wielka pomarańczowa chmura

Wiadomość jaką zobaczyłem właśnie w portalach informacyjnych jest tak nietypowa, że muszę o tym napisać.

Nad ranem w zakładach chemicznych na obrzeżach miasta Igualada, w Hiszpanii (region autonomiczny Katalonia) doszło do nietypowego wypadku - prawdopodobnie pomyłka przy przenoszeniu chemikaliów z pojemnika do pojemnika doprowadziła do eksplozji i wytworzenia wielkiej pomarańczowej chmury, która rozeszła się nisko nad miastem. Wygląda to doprawdy apokaliptycznie:


Sądząc po tym jak rozchodzi się chmura, w okolicy musi występować inwersja temperatur - powietrze w warstwie nad ziemią jest chłodniejsze niż warstwy wyższe. Ponieważ powietrze cieplejsze ma mniejsza gęstość, zaś unoszenie oparów polega na wypieraniu mniej gęstego powietrza nad bardziej gęste, chłodniejsze, inwersja temperatur powoduje że wszelkie dymy i opary zatrzymują się na pewnej wysokości, tam gdzie przebiega granica między masami powietrza, nie mogąc unieść się wyżej w ciepłym powietrzu górnej warstwy. Właśnie to zjawisko powoduje powstawanie smogu nad miastami, który wieczorem obejmuje warstwę kilkudziesięciu metrów przy powierzchni, nad którą sięgają szczyty wieżowców. Jest szczególnie dotkliwe gdy miasto znajduje się w kotlinie między wzgórzami a wiatr jest słaby - czego przykładem choćby strasznie zasmożony Kraków.

W przypadku  Igualady na zdjęciach widać podobną sytuację:


Ale czemu piszę o tym na blogu chemicznym?
Jak podają media, do wypadku doszło po zmieszaniu kwasu azotowego z chlorkiem żelaza. W takiej sytuacji dla chemika oczywiste powinno być, że gazem jest dwutlenek azotu, będący bardzo toksycznym gazem.
Kwas azotowy, będący utleniaczem, reaguje z chlorkiem żelaza II będącym reduktorem. Żelazo II utlenia się do żelaza III, część jonów azotanowych V redukuje się do tlenku azotu II, stąd proste równanie:
3 FeCl2 +  10 HNO3 → 3 Fe(NO3)3 + 2 H2O + NO + 6 HCl
Tlenek azotu II jest gazem bardzo nietrwałym - w zasadzie jest to obojętny rodnik z jednym niesparowanym elektronem Natychmiast więc po zmieszaniu z powietrzem reaguje z tlenem i utlenia się do dwutlenku azotu:
2 NO + O
2
→ 2 NO
2
Który jednak nadal jest gazem bezbarwnym.
Ten jednak w takiej formie nadal nie jest gazem trwałym - bardzo chętnie zamienia się w dimer, nazywany tetratlenkiem diazotu IV, i to właśnie ten gaz ma pomarańczowo-brunatny kolor:
2 NO
2
is in equilibrium with N
2
O
4
Równanie zawiera charakterystyczny znak przeciwnie skierowanych strzałek. Oznacza to, że mamy do czynienia z pewną równowagą. Im niższa temperatura, tym chętniej związek występuje w formie dimeru, im wyższa tym łatwiej rozpada się na monomer i tym więcej jest w nim formy pojedynczej, co pięknie pokazuje ten przykład:
Tlenek Azotu IV w różnych temperaturach. Od lewej: +50 °C, +35 °C,+ 25 °C, 0 C, -196 °C
Równowaga między tymi formami chętnie jest prezentowana w szkołach, tutaj bowiem zależność równowagi od temperatury widać naocznie.

Zatem po zmieszaniu chemikaliów zaszły trzy reakcje jedna po drugiej, a uwolniony gaz wypłynął nad miasto. I tak oto powstała brązowa chmura.
Czy jest groźna?
Dwutlenek azotu stanowi gaz toksyczny, duszący i podrażniający błony śluzowe. Wiąże się to z faktem, iż rozpuszczając się w wodzie tworzy mieszaninę kwasów azotowego V i azotowego III, i właśnie następowanie tego procesu w wilgoci naszych oczu i płuc powoduje szkodliwe skutki.
Miejmy nadzieję że wiatr z czasem rozwieje chmurę. Na razie najnowsze zdjęcia pokazują jak powoli rozpełza się na okolicę:

Najlepszą sytuacją byłoby rozwianie oparu przez wiatr. Mocniejszy deszcz też byłby dobry bo szybko oczyściłby atmosferę a kwasy by się rozcieńczyły. Najgorsza byłaby mgła albo mżawka, wtedy powstawałyby małe bardzo kwaśne kropelki opadające na ziemię i działające korozyjnie i podrażniająco.

Postsciptum
Pomarańczowa chmura ostatecznie została rozwiana, poza podrażnieniami oczu nie wywołała większych szkód. Wedle ostatnich oświadczeń firmy chemicznej, do wypadku doszło gdy kwas azotowy został wlany do kilkuset litrowego pojemnika z kwasem mrówkowym. Kwas mrówkowy także jest reduktorem, a reakcja między tymi substancjami powoduje wydzielenie dużej ilości ciepła, dwutlenku węgla i tlenków azotu.
 Dokładnie identyczny przypadek zdarzył się w 1988 roku we Włoszech, gdzie kwas azotowy wlano do cysterny zawierającej kwas mrówkowy, będący zapewne pozostałością środka czyszczącego. W tamtym przypadku zawory cysterny zakręcono. Wzrost temperatury i wydzielanie się gazów spowodowały eksplozję, która rozsadziła cysternę i odrzuciła na dużą odległość fragmenty konstrukcji. Wybuch i poparzenie gorącym kwasem spowodowały śmierć jednej osoby i poranienie 10 pracowników. Szczątki cysterny uszkodziły kilka budynków a fala uderzeniowa wybiła szyby w promieniu trzystu metrów. Uwolniona chmura tlenków azotu rozprzestrzeniła się po okolicy, udało się ją jednak częściowo zneutralizować kurtyną wodną i zepchnąć nad morze przy pomocy helikoptera.[1]

-------
[1] http://www.factsonline.nl/free-example/10257/chemical-accident-in-italy-with-nitric-acid

poniedziałek, 12 stycznia 2015

Chemicy i ich zatrucia

W  artykule na temat anegdot o chemikach, gdzie omawiałem ich odkrycia, wspomniałem że w odróżnieniu od słodzików czy innych dobroczynnych substancji, o tych którzy przypadkiem odkryli silną truciznę mogliśmy nie usłyszeć. Tymczasem wygląda na to, że jednak nie. Niektóre takie przypadki znanych zatruć chemików udało mi się wygrzebać.
A wszystko przez nieostrożność i odrobinę pecha...

Kropla która powali słonia
W roku 1964 grupa badaczy pod przewodnictwem Kennetha Bentley'a zajmowała się otrzymywaniem pochodnych tebainy, opiatu podobnego do morfiny, o nowych, bardziej korzystnych właściwościach leczniczych. Zasadniczo wiedzieli oni, że otrzymywane związki mogą mieć działanie na organizm, najwyraźniej jednak nie pilnowali się tak bardzo, skoro pewnego dnia jeden z nich zamieszał w dzbanku kawy szklaną bagietką, zanieczyszczoną śladami nowo otrzymanego związku. Śladowe ilości związku wystarczały, aby dziesięciu badaczy wpadło w śpiączkę. Jak się potem okazało, nowa pochodna, nazwana potem Etorfiną, jest 2 tysiące razy silniejsza od morfiny. Nie nadaje się na narkotyk bo zbyt łatwo można ją przedawkować. Znalazła zastosowanie do obezwładniania dużych zwierząt, efekt usypiania następuje bowiem bardzo szybko i równie szybko ustępuje po podaniu antidotum.[1]

Etorfina w dawce 4 mg jest używana w strzałkach do usypiania słoni.


Kapnęło
Gdy w grudniu 1936 roku chemicy IG Farben pod przewodnictwem Gerharda Schradera otrzymali nowy związek fosforoorganiczny, sądzili że będzie to tylko kolejny insektycyd, do zwalczania mszyc albo wszy. O tym że środek może się okazać skuteczną bronią wobec ludzi, przekonali się w styczniu zupełnie niechcący, gdy jednemu z asystentów kapnęła na stół jedna kropla nowego związku. Wkrótce kilku chemików doznało bólu głowy, duszności i zwężenia źrenic. Objawy osłabienia utrzymywały się u niektórych do kilku tygodni. Nowym związkiem zainteresowało się wojsko. Dziś znany jest jako środek paralityczno-drgawkowy Tabun.[2]

Niebezpieczne eksperymenty
Świetny chemik Humphry Davy, znany z wykorzystania prądu elektrycznego do wyizolowania nowych pierwiastków, u początków swej kariery naukowej zajmował się badaniem wpływu różnych gazów na organizm ludzki. To on doprowadził do tego, że wdychanie gazu rozweselającego stało się popularną rozrywką. Jako pierwszy też zauważył że gaz ten działa znieczulająco, ale inni badacze zignorowali to doniesienie. W pewnym okresie stał się nawet uzależniony od tego środka.

Mniej znanym epizodem tych badań, było doświadczenie z wdychaniem gazu świetlnego - produktu przepuszczania pary wodnej przez żarzący się węgiel, zawierającego znaczne ilości wodoru i tlenku węgla, czyli czadu. Oba te gazy są palne i przez długi czas używano ich do latarni miejskich. Davy sprawdzał działanie gazu, nie wiedząc w jak wielkim jest niebezpieczeństwie.
Nabrał go do pęcherza i przy pomocy rurki wziął pierwszy wdech. Był wtedy sam, nie przyszło mu do głowy angażować asystenta. Po pierwszym hauście gazu poczuł duszności i ból w piersi po czym zemdlał. Torba z gazem obsunęła mu się a rurka wypadła z ust. I całe szczęście, bo drugiego wdechu mógłby nie przeżyć. Po odzyskaniu przytomności zmierzył sobie jeszcze puls i wyszedł do ogrodu gdzie zemdlał jeszcze raz. Ale po kilku dniach powtórzył doświadczenie i opisał wyniki.[3]

Równie niebezpieczny był zwyczaj Karola Scheelego aby próbować i wąchać substancji nad którymi pracował. Gdy w wieku 46 lat zmarł lekarze podejrzewali zatrucie rtęcią, sądząc jednak po liście badań i ich opisach mogła być to kombinacja zatrucia rtęcią, arsenem i kwasem fluorowodorowym.

Prezentacja
Thomas Midgley, o którym wspominałem w poprzednich wpisach (to ten który przemywał oczy rtęcią) najbardziej znany jest z dwóch odkryć - zastosowania freonów w chłodnictwie i związków ołowiu jako przeciwstukowego dodatku do benzyny. W tym ostatnim przypadku wytwarzanie i przechowywanie dodatku, którym był tetraetylenek ołowiu, było procesem bardzo niebezpiecznym. Po kilku śmiertelnych zatruciach w zakładzie Du Pont pracownicy zastrajkowali a prasa rozpisywała się na temat planów dodawania trucizny do paliwa.
Dlatego też Midgley w 1924 roku zorganizował nietypową konferencję prasową. Przekonywał na niej, że ilości związku jakie znajdą się w paliwie są mniej toksyczne niż sama benzyna, a nawet - tutaj wyjął buteleczkę z czystym tetraetylenkiem - i czysty nie jest tak trujący jak to mówią. Na dowód odkręcił buteleczkę i zaciągnął się jej oparami. Potem wylał odrobinę na ręce i rozsmarował. Tak więc widzicie państwo, nic się nie dzieje - przekonywał.
Po tej prezentacji musiał pójść na kilkumiesięczny urlop, podczas którego zmagał się z objawami ciężkiego zatrucia ołowiem.[4]

Pomimo zabezpieczeń
Czasem jednak zabezpieczenia niewiele pomogą. Gdy w 1996 roku Karen Wetterhahn pracowała nad dimetylortęcią, znajdowała się w nowoczesnym laboratorium, a podnosząc fiolkę z kroplą związku miała na rękach lateksowe rękawiczki a na twarzy zasłonę. Przypadkiem fiolka pękła podczas manipulacji a ok. 0,5 ml związku rozprysnęło się po rękawiczkach. Zgodnie z zasadami zdjęła rękawiczki i części ubioru które mogły zostać skażone i wrzuciła do pojemnika na odpady niebezpieczne. Kilka miesięcy później zaczęła doznawać objawów postępującej degradacji układu nerwowego. Jak się okazało, niewielka ilość dimetylortęci zdążyła w ciągu kilku minut przeniknąć przez rękawiczki i wniknąć w skórę. Stamtąd przedostała się do krwi a potem do mózgu, osiągając śmiertelne stężenie. Niespełna rok po wypadku badaczka zmarła z powodu ciężkiego zatrucia tym związkiem.[5]

-------
[1]  http://file.zums.ac.ir/ebook/190-Drugs%20of%20Abuse-Michael%20J.%20Ph.D.%20Kuhar-0761479449-Marshall%20Cavendish%20Corporation-2012-320-$85.pdf str.10
[2]  http://www.epidemiologyandtoxicology.org/files/Nerve_Agents_Sarin_Hx_MoAGEORGE_1_.pdf
[3] Robert Hunt, Dictionary of National Biography volume 14, Humphry Davy
[4]  http://www.psychedelicporcupine.co.uk/2010/05/thomas-midgley-jr-the-worlds-most-destructive-man/
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Karen_Wetterhahn

poniedziałek, 15 września 2014

Ile pierwiastków występuje w przyrodzie?

Proste pytanie i nieprosta odpowiedź - ile pierwiastków występuje w przyrodzie? Z pewnością obiło się wam ono o uszy na lekcjach chemii. Wydaje się proste - rzut okiem na tablicę Mendelejewa. Pierwiastki sztuczne zaczynają się po uranie. Uran ma numer 92 więc tyle jest tych występujących w przyrodzie pierwiastków. I tak często traktują rzecz rozmaite strony a nawet podręczniki szkolne. Tylko że to nie jest tak łatwo powiedzieć ile.

In minus
Od tych 92 pierwiastków zwykle całościowo pojmowanych jako "niesztuczne" trzeba oczywiście odjąć dwa otrzymane sztucznie, mianowicie technet i promet.
Technet o liczbie atomowej 43 jest dość pechowy, bo jest najlżejszym niestabilnym pierwiastkiem. Najdłużej żyjący izotop 98-Tc ma czas półtrwania ok. 4 miliony lat co oznacza że po kilkuset milionach lat cała ilość jaka mogła być zawarta w pierwotnej materii z jakiej powstała Ziemia już się rozpadła. Dlatego po bezowocnych poszukiwaniach w minerałach, technet otrzymano w 1937 roku, napromieniowując neutronami molibden.
Nietrwałość technetu jest wynikiem złożenia się dwóch zasad rządzących trwałością jąder. Jądra o nieparzystej liczbie protonów są mniej trwałe. Ponadto liczby masowe izotopów nie są całkiem niezależne dla kolejnych pierwiastków - u sąsiadujących pierwiastków nie mogą być trwałe izotopy o takich samych masach. W przypadku technetu o nieparzystej liczbie neutronów, jedyną masą w której powinien zachować równowagę jest 98 u, ponieważ jednak trwałe izotopy o tych masach mają molibden i ruten po dwóch stronach technetu w okresie, ten izotop nie może być trwały.
Drugim takim pechowcem jest promet o liczbie atomowej 61, też nieparzystej, którego najtrwalszy izotop ma czas półtrwania 17,7 lat.

In plus
Z drugiej strony należy zastanowić się, co to właściwie znaczy "występuje w przyrodzie" - chodzi o tylko to że dało się go wykryć w warunkach naturalnych, czy może o ilości które dają się wyodrębnić? Bo przy tej pierwszej definicji listę "występujących w przyrodzie" można znacznie rozszerzyć.
W rudach uranu w wyniku spontanicznego rozszczepu jądra wykrywa się technet, zwłaszcza w rudzie z pewnego złoża w Kongu w ilości 0,2 ng/kg. W rudach uranu wyśledzono też ślady prometu, ze względu na krótki czas półtrwania będącego tylko przejściowym produktem rozpadów, przy czym na postawie rozpowszechnienia uranu szacuje się że na ziemi w danym momencie istnieje maksymalnie 500 g prometu. Linie widmowe tych pierwiastków wykryto też w pewnych szczególnych gwiazdach, jak Gwiazda Przybylskiego.
Można oczywiście zakwestionować tą ich "występowalność" na zasadzie "to tyle że właściwie nic", tylko że podobnie rzadkie są też inne pierwiastki, zwykle zaliczane do naturalnych. Frans, najcięższy z litowców ma czas półtrwania niespełna 22 minuty i w całej Ziemi jest go około 20 gramów. Nigdy nie wyizolowano czystego metalu. Najcięższy halogenek, astat o licznie atomowej 85 ma czas półtrwania 8 godzin i prawdopodobnie na całej ziemi obecny jest w danej chwili w ilości maksymalnie kilku gram. Protaktyn pojawia się w rudach uranu w ilości ok. 0,3 ppm, rad w ilości 0,14 ppm.

Pod tym względem na miano naturalnego bardziej już zasługuje pluton i neptun, pierwiastki znane jako sztuczne ale występujące w rudach uranu. Np-237 jest najtrwalszy i ma czas półtrwania 2 miliony lat. Powstaje w wyniku wychwytu neutronu w bardziej zagęszczonych rudach uranu występując w ilości około 0,001 ppb. Nieco więcej jest w rudach plutonu, którego najtrwalszy izotop ma czas półtrwania 80 mln lat, co oznacza iż pewne śladowe ilości mogły zachować się aż z czasów formowania ziemi. Wykryto go w glebie księżycowej i rudach uranu oraz w większej ilości w rudzie tworzącej naturalny reaktor jądrowy w Oklo.
Ponieważ z rozpadu uranu powstaje ameryk uznaje się za możliwe jego powstawanie w przyrodzie, ale w tak małych ilościach, że nie wykrywalnych. W zasadzie taka możliwość zachodzi też dla kiuru i berkelu, choć wtedy chodziłoby raczej o kilka atomów. 

Suma
Jak zatem określić ile jest tych "naturalnych" pierwiastków?
Tych które dało się w naturze wykryć i wyizolować choćby w śladowych ilościach jest 94, z czego 4 zostały najpierw stworzone sztucznie a potem dopiero wykryto ich ślady w naturze.

piątek, 5 września 2014

Chemiczna czy fizyczna?

Inspiracją do wpisu był zasłyszany tekst, iż ciepło jakie rozpala gwiazdy, to wynik "reakcji chemicznej syntezy wodoru do helu". No tak - zachodzi synteza wodoru i powstaje energia. Ale czy to reakcja chemiczna? Jak się przekonałem, rozróżnienie między jednym a drugim nie jest dla wielu rzeczą oczywistą.

Czym jest chemia? Najbardziej ścisła definicja podaje, iż jest to nauka zajmująca się właściwościami substancji i ich przemianami, zachodzącymi wskutek wymiany elektronów, zmiany poziomów energetycznych i symetrii. W zasadzie chemia jeśli rozpatrywać ją w najbardziej szczegółowy sposób, jest częścią fizyki, zajmującą się przemianami substancji i ich właściwości w wyniku przemian energetycznych układów wieloelektronowych.
Różnica między fizyką a chemią dotyczy więc w dużej mierze nie obiektu zainteresowania, co skali - własności i procesy są w chemii objaśniane na poziomie molekuł, a więc cząsteczek i atomów, poprzez opis interakcji pomiędzy nimi i zmian rozkładu elektronów. Fizyka opisuje substancje i procesy bądź o skali bardzo dużej, w której własności typowo chemiczne przestają mieć znaczenie, a zachowanie sprowadza się do praw mechaniki, a więc ruchu, bezwładności i oddziaływań pól, bądź obiekty i przemiany o skali bardzo małej, podatomowej, rozpatrując interakcje cząstek elementarnych.

Własności karotenu zależą od kształtu cząsteczki i rozkładu wiązań, dla których układ wielu sprzężonych  wiązań podwójnych na łańcuchu węglowodorowym tworzy swymi elektronami orbital molekularny, mogący pochłaniać kwanty światła o określonej energii odpowiadające światłu zielonemu, przez co związek jest obserwowany jako mający pomarańczowy kolor. Orbital ten zawiera miejsca o obniżonej i zwiększonej gęstości elektronowej, będące podatnymi na atak odpowiednich elektro lub nukleofilowych czynników reaktywnych, umożliwiając cząsteczce we wchodzenie w reakcje zgodnie z właściwościami tego typu połączeń, w procesy, wedle możliwości danych przez własności elektronowe węgla i wodoru. Tak wygląda chemiczne spojrzenie na karoten.
Kwestią własności soku marchwiowego, z jego lepkością, napięciem powierzchniowym, przewodnictwem elektrolitycznym i cieplnym zajmuje się już fizyka. Podobnie jak ona zajmuje się badaniami izotopów zawartych w tymże soku i ich rozpadem.

Jak zatem jest w tym świetle z syntezą wodoru w Słońcu? Mamy tam proces zamiany jednego pierwiastka w inny. Cztery wodory zamieniają się w hel. Przemiany dotyczą jąder atomowych i nie są zależne od stanu elektronów. Zatem nie jest to zjawisko chemiczne lecz fizyczne z zakresu przemian jądrowych.

Roztwarzanie metalu w kwasie to przemiana chemiczna, ucieranie majonezu to proces fizyczny.
Są jednak procesy których przypisanie do jednej dziedziny nie jest tak oczywiste - na przykład rozpuszczanie. Gdy między rozpuszczalnikiem a cząsteczkami stałej substancji zachodzą oddziaływania, pojedyncze cząsteczki są wyrywane ze stałej masy, i otaczane cząsteczkami rozpuszczalnika. Jest to fizyczny proces solwatacji zachodzący i przy rozpuszczaniu cukru w wodzie i przy rozpuszczaniu w niej powiedzmy siarczanu miedzi. Ale przy rozpuszczaniu soli kationy metalu tworzą z wodą akwakompleksy, a więc jony kompleksowe z przeniesieniem par elektronowych tlenu wody na puste powłoki kationu. Jest to już proces chemiczny. Czy zatem rozpuszczanie soli w wodzie jest procesem chemicznym? Zwykle kwalifikuje się go do procesów fizycznych, bo to fizyczne aspekty związane z solwatacją są czynnikiem wywołującym rozpuszczenie.

Im bardziej zagłębimy się w mechanizmy, tym mniej chemia i fizyka są od siebie oddzielone. Płynnie przechodzą jedna w drugą. Jakoś to jednak trzeba klasyfikować i stąd kłopoty.

niedziela, 30 czerwca 2013

Do więzienia za eksperyment chemiczny? - nie jest jeszcze tak źle

Na sam koniec czerwca proponuję taką historyjkę z drugiej strony globu, która jest i straszna i śmieszna.

Po licznych i bardzo tragicznych atakach w amerykańskich szkołach, prawo bardzo obostrzyło kwestę przynoszenia do szkoły różnych rzeczy. W większości szkół i uczelni nie można nosić przy sobie noży, ani tym bardziej broni palnej. Tego typu zakazy są zresztą krytykowane przez lobbystów ze stowarzyszeń strzeleckich, uważających naiwnie że przynajmniej studenci powinni mieć ze sobą broń na terenie kampusu i na zajęciach, aby bronić się przed podobnymi napaściami. Połączenie strachu przed strzelaniną, zamiłowania do broni i polityki "zero tolerancji" doprowadza z czasem do takich absurdów, jak zawieszenie dwójki uczniów, którzy przynieśli na zajęcia kolorowe, plastikowe pistolety-zabawki bo nauczyciel poprosił o przyniesienie ulubionych zabawek[1]
- bądź takich sytuacji jak niedawna panika, jaką wywołał w szkolnym autobusie pewien 6-latek, po pokazaniu kolegom miniaturowego, plastikowego karabinu maszynowego, z zestawu klocków Lego[2]

Ofiarą tego zamieszania stała się też niedawno 16-letnia Kiera Wilmot, która za namową znajomego, przeprowadziła na placu przed szkołą Bartow High School pewien eksperyment. Do plastikowej butelki wrzuciła kilka kawałków folii aluminiowej, i dodała rozcieńczony środek do czyszczenia toalet, po czym lekko przykręciła korek. Środki tego typu są zwykle zawierają silne kwasy, gdy więc zostaną zmieszane z takimi reaktywnymi metalami, jak cynk czy glin, będą wydzielały gazowy wodór. Tak też stało się w tym przypadku. Mieszanka rozgrzała się, a butelka rozdęła się, zaś korek wystrzelił z głośnym hukiem. Poszło nawet trochę pary wodnej, wyglądającej jak dym.
Nie wiedzący co się stało uczniowie wpadli w panikę, a policja została poinformowana o wybuchu bomby na terenie szkoły. Nasza nieszczęsna eksperymentatorka została wktótce aresztowana pod zarzutem wniesienia na teren szkoły broni, i detonacji urządzeń pirotechnicznych. W myśl obowiązujących przepisów została wyrzucona ze szkoły.[3]

Gdyby dzisiejsze przepisy obowiązywały sto temu, William Thompson nie mógłby przeprowadzać w trakcie wykładów swego ulubionego doświadczenia z wahadłem balistycznym, podczas którego strzelał ze sztucera do worka z piaskiem. Wedle anegdoty zdarzyło się, że nie trafił, a kula przeszła przez drzwi prowadzące do sąsiedniej sali wykładowej. Gdy przestraszony wbiegł tam, okazało się że wbiła się w ścianę nad głową przerażonego wykładowcy, zas studenci krzyknęli "Proszę spróbować jeszcze raz - może pan trafi!".

W obronie nastolatki stanęli uczniowie i nauczyciele. Krążący po internecie list poparcia podpisało 150 tysięcy osób. Media wyśmiewały nadgorliwość policji, mylącej butelkę detergentów z bombą. Wreszcie wziął ją pod obronę Homer Hickam - inżynier NASA, znany autor książek na temat kosmosu. Młody Homer, będąc jeszcze młodszy od niej, zbudował niewielką rakietę na paliwo karmelkowe i wystrzelił ją z łąki niedaleko domu. Od rakiety zajęła się sucha trawa, toteż został zaaresztowany za wandalizm. Jego nauczyciel fizyki obronił go, tłumacząc że był to skutek eksperymentu naukowego, dzięki czemu chłopiec nie stracił zapału do nauki.
Przy tak mocnej obronie, policji nie pozostawało nic innego, jak ogłosić że doszło do pomyłki i wycofać zarzuty. Wilmot została też przywrócona do szkoły, a także zaproszona na letni obóz naukowy w Kosmicznej Akademii, w ramach rekompensaty za niemiłe zdarzenia.[4]
W zasadzie więc wszystko skończyło się dobrze a morałem jest, że głupota nie może powstrzymać naukowej ciekawości.

Żeby wam jednak nie było za wesoło, opowiem jak mogłaby się skończyć ta historia, gdyby zdarzenia potoczyły się nieco inaczej. Gdyby butelka rozgrzała się już porządnie i ciśnienie wewnątrz odpowiednio wzrosło, butelka mogłaby rozstać rozerwana, opryskując dziewczynę gorącą, żrącą mieszanką. Wówczas w mediach zapewne pojawiłyby się przestrogi przed podobnymi eksperymentami, często niebezpiecznymi, i robionymi przez nastolatki bez świadomości zagrożeń.
Nawet w kontrolowanych warunkach w szkole, doświadczenia mogą być niebezpieczne. W Legnicy, podczas pokazów w ramach festiwalu nauki kilka osób zostało rannych w wybuchu chemikaliów[5]. Więc może nie przesadzajmy z pochwałą amatorskich eksperymentatorów.
-------
[1] http://www.nydailynews.com/news/national/students-suspended-nerf-gun-article-1.1363552
[2] http://www.nydailynews.com/news/national/lego-gun-panic-school-bus-article-1.1357236
[3] http://www.alternet.org/civil-liberties/16-year-old-girl-arrested-and-charged-felony-science-project-mistake
[4] http://www.good.is/posts/people-are-awesome-teen-arrested-for-science-experiment-now-heading-to-space-camp
[5] http://natablicy.pl/legnica-wybuch-podczas-eksperymentu-na-festiwalu-nauki-chemik-stracil-palec,artykul.html?material_id=4c9b23497233c7d478000000#zamknij

piątek, 21 września 2012

Talidomid

Pisałem już tu o różnych truciznach i związkach szkodliwych. Często ludzie stykają  się z nimi przez pomyłkę lub na skutek niecnych działań bliźnich, niestety czasem wskutek zbytniego zawierzenia w cuda medycyny. Jeden z takich przypadków, będący największą pomyłką farmakologii, miał miejsce niemal równo 50 lat temu, ponieważ zaś rzecz zahacza o pewne ciekawe zagadnienia związane z budowa związków chemicznych, myślę że warto jest to tutaj omówić.

Rzecz zaczęła się mniej więcej w 1954 roku w laboratorium niemieckiej firmy farmaceutycznej Grünenthal , gdzie trudniono się otrzymywaniem nowych preparatów. Wiodącą linią poszukiwań było wówczas łączenie antybiotyków z peptydami i aminokwasami poszukując aktywnych połączeń, niektóre z nich, podobne strukturalnie do kwasu barbiturowego, okazywały się bezpieczniejszymi od niego lekami nasennymi i uspokajającymi. Tym razem na warsztat wzięto ftaloiloizoglutaminę - pochodną kwasu glutaminowego, będącego jednym z aminokwasów białkowych, i kwasu ftalowego. Przez proste ogrzewanie w warunkach odwadniających przeprowadzono ten związek w imid z dwoma pierścieniami połączonymi przez azot:

Powstały związek to ftalimidoglutarimid, co wkrótce skrócono do wygodniejszej nazwy Thalidomid. Pierwsze testy medyczne na szczurach, psach i chomikach wykazały niską toksyczność, z LD rzędu 5g/kg masy ciała, dzięki czemu preparat można było zaliczać do nietoksycznych. Początkowo zalecono go epileptykom jako lek przeciwdrgawkowy, nie przynosił jednak oczekiwanych efektów, natomiast zapewniał spokojny sen i nie uzależniał tak jak barbiturany. Zaczęto więc prowadzić badania w tym kierunku, choć działanie uspokajające u zwierząt prawie nie występowało. Wreszcie po pierwszych testach zdecydowano o wprowadzeniu leku na rynek 1 Października 1957 roku.
Thalidomid reklamowano jako pierwszy pozbawiony bromu lek uspokajający i nasenny "bez skutków ubocznych". Rzeczywiście, stosowane dotychczas środki na bazie bromku potasu często wywoływały splątanie, napady senności, zaburzenia mowy i spadek libido (co wykorzystywano w wojsku do obniżania popędu u szeregowych). Ponieważ nadawał się doskonale do leczenia objawów towarzyszących wczesnej ciąży (rozdrażnienie, poranne mdłości, nieregularny sen), zalecano go właśnie ciężarnym. I tak to się zaczęło.

Jeśli przyjrzeć się dokumentom z tamtych czasów, można zobaczyć, że nie zaniedbano badań możliwych działań toksycznych - w przeglądzie z 1960 roku widać, że sprawdzono wpływ na układ nerwowy, moczowy i trawienny, interakcje z alkoholem, barbituranami, wpływy narkotyczne itp.[1] ale nie wzięto pod uwagę jednej rzeczy - teratotoksyczności.
Kwestia wpływu substancji chemicznych na rozwój płodu nie była wówczas specjalnie badana, sam termin teratogenu wprowadzono dopiero w 1960 roku, niemniej już zaczęto ją brać pod uwagę w niektórych krajach. Aby zbadać taki wpływ należało przed wprowadzeniem leku sprawdzić wpływ na ciężarne zwierzęta, zaś już po wprowadzeniu zbierać informacje o skutkach ubocznych. Nie zawsze da się w laboratorium odtworzyć wszystkie możliwe kombinacje, jakie mogą się przydarzyć w prawdziwym życiu, stąd często dopiero po wprowadzeniu leku okazuje się, że na przykład nie można go popijać sokiem z grejpfrutów albo zażywać wraz z aspiryną. Nikomu jednak nie przyszło do głowy, że jeśli nie znamy działania leku na jakąś specyficzną grupę ludzi, to profilaktycznie nie powinna ona go zażywać. A tą grupą były w tym przypadku dojrzewające ludzkie płody.




Jak zapewne pamiętacie z lekcji biologii, rozwój płodu zaczyna się od zapłodnienia, potem powstaje zygota która zaczyna się dzielić na 2, 4, 8,16... i coraz więcej komórek potomnych. Gdy kulka narastających komórek jest odpowiednio duża, zaczynają się one różnicować na grupy, stające się zalążkami różnych grup organów ciała. Z czasem w naszym zlepku komórek daje się zauważać jakaś forma, podział na przód i tył, na główkę i ogonek, na kończyny a u tych z czasem na przedramię i ramię, dalej końce kończyn formują się w ręce i dłonie, z paluszkami, każdy osobno, wykształca się twarz i jej zewnętrzne cechy.
 Nie trudno się domyśleć że nawet drobne uszkodzenie w tym wczesnym etapie, może doprowadzić do potwornych deformacji. Śmierć komórki z której w dalszej perspektywie miała się wykształcić połowa jelita grubego spowoduje, że może ono powstać skrócone. Czasem wystarczy aby komórki niewłaściwie ułożyły się na wczesnym etapie. Dla niewielkich zmian owocuje to takimi wadami, jak błoniasta skórka między palcami, świński ogonek czy rozszczep podniebienia, im jednak większe są to zmiany tym większy jest wpływ ostateczny. Duża część takich deformacji jest letalna - jeśli na przykład zaburzony zostanie etap wykształcania się mózgu (bezmózgowie) to rosnący płód może umrzeć z braku kontroli nad funkcjami fizjologicznymi. A Thalidomid?

Począwszy od 1958 roku w Europie zaczęło rodzić się zaskakująco dużo dzieci z wadami rozwoju. W większości dotyczyły kończyn - dochodziło do nie wykształcenia się dłoni, i stóp, ramion i łydek bądź też w ogóle nie wykształcały się kończyny, w dodatku kości innych części ciała rosły zdeformowane lub skrócone; u innych dochodziło do deformacji lub braku uszu zewnętrznych, zarośnięcia przewodu słuchowego, jamy nosowej, deformacji lub braku nosa. Czasem wady pojawiały się dopiero wewnątrz ciała, dotycząc wykształcenia układu pokarmowego, deformacji nerek czy licznych przetok między jamami ciała.
Wzrost liczby takich przypadków był zaskakujący i długo nie udało się powiązać go z konkretnym czynnikiem, brakło jakiegoś centralnego systemu gromadzącego informacje i rzadkich schorzeniach stąd też trudno było dowieść, że wszystkie ciężarne stykały się z jednym, określonym czynnikiem. Ponieważ początkowo epidemia deformacji zachodziła na obszarach objętych działaniami wojennymi sądzono, że mogą to być długofalowe skutki działania gazów bojowych, trujących oparów bomb i pożarów, jednak w miarę narastania liczby przypadków stało się oczywiste, że nie można w ten sposób tłumaczyć zjawiska.
Inni wskazywali na związek ze zwiększonym napromieniowaniem środowiska - w latach 1951-57 przeprowadzono na świecie 175 próbnych wybuchów jądrowych, tylko w 1958 już 116[2] Trudno aby pozostało to bez wpływu na zdrowie. Wadą tej koncepcji było to, że zjawisko nasilało się w środkowej i zachodniej europie, natomiast takiego natężenia takich specyficznych wad nie notowano w USA gdzie przecież przeprowadzano próby (danych z ZSRR nie było).
Od końca lat 50. do początku lat 60. w 46 krajach urodziło się około 10 tysięcy dzieci z wadami rozwojowymi, zaś kilkanaście tysięcy ciąż zakończyło się poronieniem.

Co do tego kto pierwszy zauważył związek trwają spory. Czasem dziennikarze twierdzą, że na trop pierwsza wpadła prasa, jak się jednak wydaje zaczęło się od pewnych dwóch lekarzy.
Niemiecki pediatra Widukind Lenz, pracujący w szpitalu dziecięcym w Hamburgu, na podstawie wywiadów z matkami dzieci z deformacjami doszedł do wniosku, że wszystkie one brały leki nasenne i uspokajające w okresie ciąży a czas w jakim zaczęły się pojawiać pierwsze przypadki zgadzał się z kilkumiesięcznym odstępstwem z czasem wprowadzenia leku na rynek. Będąc pewny swych racji poinformował o nich służby medyczne i zadzwonił do firmy farmaceutycznej Grünenthal aby skłonić ich do natychmiastowego wycofania preparatu. Szefowie firmy nie byli jednak skłonni do współpracy, dlatego dwa dni później, 18 listopada 1961 roku, wygłosił na konferencji pediatrycznej referat opisujący zaobserwowany związek. Oczywiście zaraz zarzucono mu, że wyniki kwestionariuszy u 20 matek to za mało aby mówić o dowodzie. Jeśli podejrzenia okazałyby się niesłuszne, byłby to koniec jego kariery. Stwierdził jednak że nie może z czystym sumieniem milczeć, gdy kolejne kobiety zażywają podejrzane tabletki. O sprawie wkrótce napisała lokalna gazeta. Nazwa podejrzanego leku nie została jeszcze ujawniona.[3]
W międzyczasie australijski położnik Wiliam McBride również powiązał wady rozwojowe u dzieci z faktem, że wszystkim matkom tych dzieci wcześniej sam przepisał Thalidomid, zaś efekt pojawił się w Australii później niż w reszcie świata, po wprowadzeniu na rynek leku. Napisał na ten temat list do prestiżowego czasopisma medycznego The Lancet, które wydrukowało go w grudniu tego samego roku. Trwały już wówczas niejawne rozmowy między przedstawicielami władz medycznych i zarządu firmy Grünenthal. Propozycją firmy było wprowadzenie na opakowania nalepki, informującej że nie może być zażywana przez kobiety w ciąży. Gdy lekarze zasugerowali, że lepiej całkiem wycofać lek, zanim kwestia bezpieczeństwa nie zostanie zbadana, przedstawiciele firmy nie zgodzili się, grożąc konsekwencjami prawnymi w razie prób wprowadzenia takich ograniczeń. Po kilku dniach jednak zmiękli w miarę spływania danych potwierdzających zależność. Ostatecznie na początku grudnia rozpoczęto wycofywanie preparatu i leków które go zawierały - a znalazł się nawet w tabletkach na przeziębienie i syropach na kaszel.

Ciekawą kwestią jest tutaj sprawa niedopuszczenia preparatu na rynek amerykański. Pracująca w ówczesnej agencji do spraw żywności i leków (FDA) Frances Oldham Kelsey, zajmowała się dopuszczaniem leków do obrotu. Gdy w 1960 roku próbowano wprowadzić Thalidomid, podczas przeglądania dokumentacji zauważyła to samo co ja w opisywanym już przeglądzie - brak badań wpływu na kobiety ciężarne. Mając na uwadze obserwowane na świecie objawy, i pamiętając ze studiów dopiero rodzące się badania nad wpływami teratogennymi, zażądała uzupełnienia dokumentacji, czego firma produkująca lek nie mogła zrobić. Nikt nie wymagał od nich przeprowadzenia takich badań, więc ich nie wykonali. Kelsey odpisała im zatem, że FDA może poczekać kilka miesięcy, aż zrobią odpowiednie badania. Oznaczało to późniejsze wprowadzenie leku na przewie 300 milionowy rynek amerykański a co za tym idzie, milionowe straty. Firma zaczęła naciskać zarówno na badaczkę jak i na jej szefostwo, grożąc możliwością zażądania odszkodowania w razie bezpodstawnego zatrzymania leku, ci jednak odpowiadali niezmiennie - bez dodatkowych testów nie przyjmiemy leku na rynek.[4] To przetrzymanie trwało akurat na tyle długo, że zdążyły pojawić się pierwsze doniesienia o szkodliwości leku, dlatego USA obroniły się przez nim. Wiadomo jednak że firma wysyłała lekarzom "darmowe próbki" mając nadzieję, że pozytywne opinie od amerykańskich położników przekonają FDA. Wiadomo o kilkunastu przypadkach dzieci zdeformowanych wskutek zażywania "darmowych próbek" przez ich matki.

Potwierdzeniem związku między lekiem a deformacjami był ich zanik po lipcu 1962 roku, gdy urodziły się ostatnie dzieci, których matki mogły go zażywać. Co dziwniejsze, w Japonii wycofano lek dopiero w 1965 roku. Wprawdzie nie sprowadzano go już z Europy ale nie wydano zakazu sprzedaży preparatu z aptecznych zapasów, toteż jeszcze przez kilka lat zdarzały się tam przypadki zniekształceń płodu. Znanych jest trzystu japońskich "Talidomerów".


Co takiego powodowało uszkodzenia płodu? Mechanizm jest niejasny, jak się wydaje cząsteczka ftalimidoglutarimidu wpasowuje się pomiędzy nici DNA w miejscach purynowych blokując działanie genów odpowiedzialnych za rozwój, głównie przez hamowanie tych odpowiedzialnych za rozwinięcie zalążków kończyn.[5] Jak się wydaje równocześnie działać może mechanizm blokowania tworzenia nowych naczyń krwionośnych w miejscach intensywnego wzrostu.[6] McBride, ten sam australijski położnik, zasugerował zatem wykorzystanie tej substancji do leczenia raka będącego przecież "szybko rosnącym skupieniem komórek". Przypuszczenie okazało się trafne - dziś stosuje się go, pod nazwą Taliomid, do terapii  szpiczaka mnogiego, z dosyć wysokim wskaźnikiem remisji. Terapia wymaga jednak, aby osoby niej poddawane nie mogły już posiadać potomstwa - a więc kobiet po 50 roku życia, bezpłodnych lub wysterylizowanych. Jeśli poddać się jej ma kobieta w średnim wieku, to albo musi ona zażywać leki antykoncepcyjne, albo zachować wstrzemięźliwość. Chodzi po prostu o to, aby nie zaszła, nie wiedząc o tym w ciążę w trakcie terapii, co doprowadziłoby do urodzenia zdeformowanego dziecka.

Ze sprawą właściwości związku wiąże się jeszcze jedna kwestia - otóż tak na prawdę mamy do czynienia z dwoma jego odmianami, jedna ma właściwości lecznicze, zaś druga szkodliwe. A rzecz polega jedynie na innym wygięciu cząsteczki.
Związki organiczne zbudowane są głównie z węgla o wartościowości IV a więc tworzącego cztery wiązania. Jeśli nie mamy do czynienia z połączeniami wielokrotnymi, wiązania te odsuwają się od siebie tworząc układ tetraedryczny. Jeśli wobec tego zdarzy się, że przy każdym wiązaniu takiego węgla podczepiona będzie inna grupa, to cała cząsteczka będzie asymetryczna, i możliwe będą dwa ustawienia grup wokół takiego węgla, podobne do siebie jak lustrzane odbicia Piękna grafika:


Jeślibyśmy zbudowali takie modele (na przykład z kasztanów) to jakbyśmy ich nie obracali, nie przeprowadzimy jednego w drugi bez rozrywania wiązań (zamieniania kasztanów). O takich lustrzanych figurach mówimy że są chiralne, od greckiego cheir czyli ręka. Dłonie bowiem w zasadzie są swymi lustrzanymi odbiciami, ale bez obracania ich ku sobie nie nałożą się dokładnie jedna na drugą. Chemicy odróżniają takie lustrzane cząsteczki nadając im konfigurację absolutną, zależną od tego w jakiej kolejności ułożone są podstawniki, którym przypisuje się określoną "ważność" Jeśli ruch od najważniejszego podstawnika do po kolei mniej ważnych jest prawoskrętny, to konfigurację oznaczamy literą R a jeśli lewoskrętny to literą S.
Konfiguracja cząsteczki ma duże znaczenie w biochemii - większość aminokwasów w żywych organizmach jest lewoskrętna, z aminokwasów zbudowane są białka skręcające się z tego powodu w określony sposób, z białek zbudowane są receptory i często bardzo selektywnie reagują na cząsteczki o różnej konfiguracji - przykładem karwon, jeden z terpenów występujących w olejkach zapachowych - izomer R pachnie miętą kędzierzawą, izomer S pachnie kminkiem. A jak rzecz się ma z naszą cząsteczką leku?
Przy wiązaniu z azotem jest jeden węgiel o asymetrycznie ułożonych podstawnikach - z jednej strony jest połączony z wodorem, z drugiej z innym pierścieniem, z trzeciej jest połączony z tą częścią pierścienia, gdzie znajdują się dwie grupy karbonylowe, zaś z czwartej strony jest połączony z drugą połową pierścienia, bez tych grup. Otoczenie z każdej strony jest inne, zatem cząsteczka jest asymetryczna i chiralna. Możliwe stają się zatem dwa położenia drugiego pierścienia, połączonego przez azot - w jednym znajduje się on nad płaszczyzną pierścieni w asymetrycznym węgle, a w drugim pod nią:

Te dwie odmiany mają różne właściwości - izomer R ma właściwości przeciwbólowe i uspokajające, zaś izomer S teratogenne. Podczas syntezy produkowano racemat - równomolową mieszaninę obu izomerów, tego szkodliwego i tego niebezpiecznego. Gdy odkryto tę zależność, postanowiono przeprowadzić selektywną syntezę tylko jednej, dobroczynnej odmiany. niestety okazało ię, że po wprowadzeniu do organizmu związek ulega samorzutnej przemianie i połowa dawki zamienia się w szkodliwy izomer. Dlatego właśnie dziś jego zastosowanie ogranicza się już tylko do chemioterapii.

A co z poszkodowanymi?
Mimo ujawnienia przyczyny deformacji jeszcze przez długi czas rodziny poszkodowanych dzieci nie mogły doprosić się pomocy. Firma Grünenthal straszyła sądem każdego kto chciał winić ją o tą sytuację. Na dobrą sprawę odszkodowania jakie wywalczyły rodziny, pochodziły głównie od dostawców lub od rządów państw, które nie wymagały, jak USA, dokładnych badań przed wprowadzeniem na rynek. Dopiero w 1972 roku firma musiała zapłacić 150 mln dolarów rodzinom trzech tysięcy dzieci, jakie urodziły się zdeformowane w Niemczech. Rodziny dzieci urodzonych w innych krajach nie wywalczyły odszkodowań do dziś. Niedawne oficjalne przeprosiny miały od strony firmy jedynie symboliczne znaczenie.
Skandal wokół tej sprawy wywołał duże zmiany w prawie farmaceutycznym, które dotychczas bardzo lekko traktowało procedury dopuszczania nowych leków - zaledwie przecież kilka lat wcześniej, w 1954 roku we Francji lek na czyraki skórne zabił sto osób, bo nikt nie wykonał rzetelnych badań działania na ludzi.
Od teraz wymagane stały się nie tylko kilkufazowe badania kliniczne ale też ścisłe określenie grupy, dla której znane są dane medyczne. Gdy kilka lat temu zachorowałem i przepisano mi antybiotyk, w ulotce pisano, że nie powinny go stosować matki ciężarne i dzieci do 12 lat - czy dlatego że dla nich lek był szkodliwy? Nie, po prostu dla tych grup nie ma informacji medycznych o bezpieczeństwie, lepiej więc traktować go jak szkodliwy i nie podawać, niż narażać się na to, że rzecz wyjdzie dopiero w praniu.

Na koniec rozprawię się może jeszcze z jedną krążącą po świecie informacją - w sporach między przeciwnikami farmakologii a jej zwolennikami, gdy którejś ze stron brakuje argumentów, sięgają do "argumentu z Nazistów" - na zasadzie: "twoja idea jest be bo kiedyś zajmował się nią nazista". W przypadku farmakologii łatwo zadać ten cios po niesławnej sprawie firmy Bayer oskarżonej o silne związki z hitleryzmem. Niekorzy czasem sięgają w historii dalej wywodząc, że talidomid, szkodliwy lek, który okaleczył tysiące dzieci, był produkowany przez nazistę i potem eks-naziści nie dopuszczali do ujawnienia tej informacji.
Faktycznie, dyrektor Grünenthal w tamtym czasie był wcześniej członkiem partii nazistowskiej. Co ma piernik do wiatraka? Właściwie nic, ale warto może przypomnieć biografię lekarza, który ujawnił szkodliwość leku - Widukind Lenz był członkiem hitlerjugen a w czasie wojny pracował w fabrykach syntetycznej benzyny, zaś jego ojciec był założycielem instytutu eugenicznego, propagującego małżeństwa aryjskich par i usuwanie ze społeczeństwa niepełnosprawnych. Jeśli życiorys ma czegokolwiek dowodzić to w tym przypadku pokazuje, że dla niektórych lekarzy dobro pacjentów jest ważniejsze od kariery.

----------
http://www.fr-online.de/wissenschaft/contergan-skandal-verstuemmelt-durch-eine-arznei,1472788,11219174.html


ResearchBlogging.org [1] SOMERS GF (1960). Pharmacological properties of thalidomide (alpha-phthalimido glutarimide), a new sedative hypnotic drug. British journal of pharmacology and chemotherapy, 15, 111-6 PMID: 13832739
[2]  http://www.nrdc.org/nuclear/nudb/datab15.asp
[3] "Kalte Füße" Der Spiegiel 06.12.1961
[4]  http://www.washingtonpost.com/wp-dyn/content/article/2010/09/13/AR2010091306279.html
[5]  Koch HP, & Czejka MJ (1986). Evidence for the intercalation of thalidomide into DNA: clue to the molecular mechanism of thalidomide teratogenicity? Zeitschrift fur Naturforschung. C, Journal of biosciences, 41 (11-12), 1057-61 PMID: 2953123
[6] Stephens TD, Bunde CJ, & Fillmore BJ (2000). Mechanism of action in thalidomide teratogenesis. Biochemical pharmacology, 59 (12), 1489-99 PMID: 10799645