Než se smrtelná nemoc prosadí, čeští vědci ji chtějí chytit mikropinzetou

  10:19aktualizováno  10:19
Jednou by to mohl být způsob, jak diagnostikovat smrtelnou nemoc ve chvíli, kdy ještě tělo pacienta neohrožuje. Tým českých inženýrů a chemiků s pomocí elektrického pole dokáže ovládat jednotlivé buňky.

Týmu docenta Zdeňka Huráka z katedry řídicí techniky FEL ČVUT se v rámci základního výzkumu podařilo zvládnout techniku, jak s pomocí elektrického pole ovládat více mikroskopických objektů současně a nezávisle. Vytvořili tak unikátní bezkontaktní mikropinzetu, která může v budoucnu pomoci lékařům s krevními testy. Na propojení techniky s biochemií a medicínou pracuje širší mezioborová skupina vědců ve výzkumném projektu Biocentex, který podpořila Grantová agentura ČR.

Jak vytvořit laboratoř na čipu

V oblasti analytické chemie a biochemie se již delší dobu hovoří o takzvané laboratoři na čipu (Lab on a chip). Jde o způsob, jak mnohonásobně zmenšit objem testovaného vzorku a získat při tom maximum informací. Testy budoucnosti by místo ve zkumavkách mohly probíhat v pouhé kapce vzorku umístěné přímo na procesoru přístroje. To má samozřejmě největší význam ve zdravotnictví a při diagnóze nemocí. 

Pokud by takový přístroj například dokázal roztřídit a vyšetřit jednotlivé buňky v miniaturním vzorku krve, znamenalo by to v medicíně velký průlom. Podle odborníků právě sem směřuje vývoj – zatím však jde o úkol pro pohádkovou Popelku. Technologie automatického třídění tak malých objektů, jako jsou buňky, má zatím značná omezení. Další výzvu pak představuje dosud ne plně probádaná chemie buněčných proteinů.

Jedna z verzí unikátní bezdotykové mikropinzety z FEL ČVUT.

Jedna z verzí unikátní bezdotykové mikropinzety z FEL ČVUT.

Soutěže miniaturních „robotů“

V praxi má každá z dosud vyvinutých metod mikromanipulace svoje úskalí. Běžnou mikropinzetou můžete v laboratoři přesouvat jednotlivé buňky, ale vždy po jednom kusu a poměrně nemotorně. Existují také laserové pinzety. Ty mají výhodu, že jsou bezkontaktní, ale zase vytvářejí teplo, které může škodit, pokud pohybujeme živými buňkami. A pohybovat větším množstvím objektů najednou opět s pomocí laseru není možné.

Jak tedy efektivně a bezdotykově pohybovat věcmi, které jsou jen 10-20 mikrometrů velké? Technici z FEL ČVUT na tomto úkolu pracují už několik let. Technologie zde představuje takovou výzvu, že se na světových konferencích dokonce pravidelně pořádá soutěž výzkumných týmů, které se snaží se svými originálními přístroji pohybovat mikrokuličkou (takzvaným robotem) a dovést ji ve stanoveném čase k cíli. Tým z katedry řídicí techniky přistoupil k tomuto úkolu jinak. „V několikaleté historii této soutěže jsme byli jediný tým, který pro manipulaci používal elektrické pole,“ říká Jiří Zemánek, který se na výzkumu významně podílí.

Unikátní mikropinzetu z ČVUT tvoří miniaturní šachovnice složená z elektromagnetů (magnetoforéza) nebo elektrod (dielektroforéza), na níž lze aktivně modulovat silové pole tak, aby se objekty pohybovaly po ploše kýženým směrem. Je to úkol, který využívá algoritmy z kybernetiky a robotiky, a aplikuje je na pohyb mikročástic ve fyzikálním kontextu silového pole. Jak magnetická, tak elektrická manipulace využívá v podstatě analogické výpočty, ale jako slibnější se jeví právě dielekroforéza, protože nevyžaduje, aby byly objekty zmagnetizované. (Pokud by totiž šlo o živé buňky, musely by se do nich vkládat nějaké magnetické částice.) Inteligentní regulací napětí v elektrodách se mění silové pole a mikroskopický objekt se začne pohybovat tak, jak je třeba. Navíc může být takových objektů více zároveň.

Kompaktní řešení pro medicínu

Řešení z FEL ČVUT vědci nejprve testovali na větší, několikacentimetrové ploše cívek s velkými kuličkami, a pak toto pole postupně zmenšovali. „Když pracujete s běžnou mechanickou mikropinzetou, je paradoxní, že čím menší jsou objekty, tím větší potřebujete aparaturu – například masivní robotickou ruku s dobře ukotvenou základnou. Naše bezkontaktní řešení je ale opravdu minimalistické,“ říká jeden z výzkumníků docent Zdeněk Hurák. 

Na jednu ze soutěží výzkumných týmů dorazili prakticky jen s notebookem a malým sklíčkem. Celou úlohu se jim podařilo odehrát na několikamilimetrovém čtverečku, který lze sledovat pod mikroskopem. V kapce roztoku bylo možné pohybovat několika mikroroboty zároveň a nezávisle na sobě, což je v tomto oboru úctyhodný výkon. 

Navíc systém umožňuje okamžitou zpětnou vazbu – jinými slovy, když na obrazovce myší hýbnete jednou či více mikrokuličkami, pohne se i v reálné scéně. Za demonstraci této techniky proto dostali čeští vědci na Světovém kongresu IFAC 2017 ve francouzském Toulouse zvláštní ocenění. „Dalším krokem bude nyní eliminace mikroskopu,“ pokračuje docent Hurák. „Elektrody na podkladovém sklíčku mohou být průhledné a sklíčko se vzorkem může ležet přímo na čipu kamery. Dostaneme se tak ke skutečné laboratoři na čipu, navíc k jednoduchému jednorázovému řešení vhodnému například pro individuální krevní testy, kdy se takto může pracovat s jednotlivými živými buňkami.“

Jedna z verzí unikátní bezdotykové mikropinzety z FEL ČVUT.

Jedna z verzí unikátní bezdotykové mikropinzety z FEL ČVUT.

Krevní testy budou méně krvavé

V tomto momentě však musí přijít ke slovu analytická chemie a biochemie. Cíl vyvinout lepší diagnostické přístroje spojuje techniky ČVUT, analytické chemiky z Ústavu analytické chemie AV ČR a biochemiky Masarykovy univerzity ve výzkumném programu Centra pro vyspělé bioanalytické technologie (Biocentex). Konkrétním výsledkem může být právě zpřesnění krevních testů.

„Současný trend ukazuje, že v budoucnu bude lékařům při odběru stačit mnohem menší objem krve. Pokročilé diagnostické přístroje roztřídí vzorek na jednotlivé buňky a přesně vyhodnotí všechny patologické procesy,“ říká vedoucí programu Biocentex Dr. František Foret. „Výhoda je jednoznačná - mnohé nemoci bude moci šetrně léčit ještě dříve, než propuknou.“

Příznaky nemocí lze totiž pozorovat už na úrovni buněčných proteinů, které jsou na povrchu buněk a charakterizují určité patologické procesy – takové buňky se ale v krevním vzorku mohou vyskytovat pouze ojediněle. A jak jsme uvedli výše, najít a oddělit „jehlu v kupce sena“ se současnými technologiemi prostě není snadné, zčásti kvůli omezenému poznání v oblasti analytické chemie, zčásti právě z mechanických důvodů. Díky spolupráci vědců je však nyní koncept takového diagnostického přístroje na obzoru. Jeden z postupů spočívá v tom, že se buňky převedou do olejového roztoku a obalí se miniaturní kapičkou vody. Mikropinzeta z ČVUT pak umožní kapičky s pomocí elektrického pole roztřídit a připravit tak jednotlivé buňky k analýze.

Angelina Jolie by nemusela přijít o prsa

Motivace pro vývoj takových diagnostických přístrojů jsou velké. Typickým příkladem může být diagnostika rakoviny. Současné metody již běžně umožňují analýzu DNA, která se používá například při rakovině prsu. Genetické informace v DNA však odhalí jen pravděpodobnost, že se u dané osoby někdy v životě nemoc rozvine. Může k tomu dojít hned, může to být až ve vysokém věku. Na dané ženě pak náleží rozhodnutí, jak s touto prognózou naloží. Může to „risknout“ s tím, že v případě propuknutí nemoci podstoupí poměrně drastickou chemoterapii, nebo se může rozhodnout pro preventivní mastektomii, podobně jako to nedávno udělala herečka Angelina Jolie.

Budoucí generace žen se však takovým zásahům může vyhnout. Pokud bude možné testovat krevní vzorek na úrovni proteinů v jednotlivých buňkách, analýza DNA bude sloužit skutečně jen pro odhad rizika. Při pravidelné a nijak náročné kontrole (odebrání několika mililitrů krve) pak diagnostický přístroj včas odhalí, zda se nemoc rozvíjí či ne. Léčba v takto počátečním stadiu, na úrovni ojedinělých buněk, bude samozřejmě mnohem šetrnější a s mnohem vyšší šancí na uzdravení.

Podle odborníků k nástupu nové generace přístrojů, které využívají laboratoř na čipu, ještě zbývá několik let, a stále je potřeba dokončit základní výzkum jak v oblasti technologií, tak v biochemii a analytické chemii. „Mezioborová spolupráce má svá specifika a je vždy zajímavé, jak dlouho trvá, než vědci z různých oborů začnou takříkajíc mluvit stejným jazykem. Zatím to ale vypadá, že se nám to v projektu Biocentex daří,“ uzavírá vedoucí programu Dr. František Foret.

Poznámka: Jeden z autorů článku, Ivan Sobička, působí mimo jiné jako mediální zástupce Katedry řídící techniky FEL ČVUT.

50. výročí přistání na Měsící

Americký kosmický let Apollo 11 splnil svoji misi 20. července 1969. Na povrch Měsíce jako první člověk vstoupil velitel posádky Neil Armstrong. Doprovázel jej Edwin "Buzz" Aldrin, zatímco Michael Collins zůstal na palubě vesmírné lodi.

Téma Apollo 11 v článcích Technet.cz:
O čem si povídali kosmonauti Apolla 11. Poslechněte si tisíce hodin „ticha“
Co kdyby Apollo 11 zůstalo na Měsíci? Pohřbili by je přes rádio zaživa
Vlajky na Měsíci stále stojí. Podívejte se na důkaz ze sondy LRO

Nejčtenější

Chyběl necelý metr. Parašutisté nekopali v kryptě obležené nacisty marně

Radarový průzkum krypty v únoru 2019

Po 77 letech od atentátu na Heydricha se podařilo prokázat existenci průchozí stoky před kostelem sv. Cyrila a Metoděje...

Neudělejte chybu jako Ovčáček. Ověřovací kód nikdy nikomu neposílejte

Pro bezpečí na internetu je důležité nesdělovat soukromé ověřovací kódy, někdo...

Pokud vám přijde zpráva s potvrzujícím kódem, zacházejte s ní jako s tajemstvím. Nepište ji nikam, kam nepatří. Nikomu...

Jsou neskutečně levné a jedovaté. Čínské tonery do tiskáren obsazují trh

Jak vybrat náplň do tiskárny, aby do ní padla jako ulitá? Ne každá je vhodná a...

Především kvůli nízké ceně lidé riskují zdraví a kupují ultralevné tonery do laserových tiskáren od neznámých výrobců....

Proč havarovaly Boeingy 737 Max? Firma spěchala a porušila vlastní zásady

Jak vznikly problémy, které vedly k havárii nejnovějších letadel Boeing 737 MAX

Nejnovější letadla Boeing 737 MAX 8 už tři měsíce nelétají. Při dvou jejich nehodách totiž zemřelo 346 lidí. Stopy...

Nečekaný objev. Našli jsme stopy po posledním boji parašutistů

Stopy po výbuchu granátu, který podle dostupných indícií smrtelně zranil Jana...

Osmnáctého června 1942, ve čtyři hodiny deset minut ráno, začal v Resslově ulici v Praze nerovný boj. Stovky esesmanů...

Další z rubriky

Kilogram má novou definici. Jeho fyzická podoba ztratila 50 mikrogramů

Kopie originálu kilogram z Paříže v americké laboratoři Sandia. Podobné vzory

Od 20. května začala platit nová definice kilogramu. Ta již nebude mít fyzickou podobu, ale bude odvozená od pevné...

Kočky rozumí, když na ně voláme. Jen je to většinou nezajímá

Kočky vám rozumí, ale ignorují vás

Kočičí inteligence je na rozdíl od té psí velmi málo prozkoumaná. Kočky totiž většinou odmítají s vědci spolupracovat....

Místo vody se řekou valila láva. Výbuch, který pomohl spustit revoluci

Pohled do středu jednoho ze sopečných kuželů vzniklých na přibližně 27...

V roce 1783 na Islandu vybuchla sopka Laki, která významně proměnila směřování lidské společnosti. Jedovaté plyny,...

Najdete na iDNES.cz