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.

  • Nejčtenější

Poslední přistání chtěli utajit. Přístroje se tak třásly, že nešly odečíst

Do přistání zbývá 20 sekund a i teď přijde celá akce kapitánovi Kallbachovi jako šílený nápad. Krátká a ještě ke všemu...

Příprava na šílené přistání. IL-62 bude doslova lízat vrcholky stromů

Osmdesátitunový Iljušin IL-62 přistál na hrbolaté travnaté louce na kopci za lesem. To není začátek nepovedeného vtipu,...

Nejlepší zkratka, kterou neznáte. Snímek obrazovky oříznete za sekundu

Jak nejrychleji udělat screenshot? Na vytvoření snímku obrazovky existuje řada specializovaných programů. Pokud ale...

Model dronu Airbusu ukazuje technologie budoucí evropské stíhačky

Společnost Airbus v jihoněmeckém Manchingu odtajnila program bezosádkového stealth letadla LOUT (Low Observable UAV...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Fatální omyl. Jak Američané napadli Rusy a zabili generála Kotova

Mezi nepříjemné válečné omyly patří střelba do vlastních řad, případně po spojencích. Jedna taková událost se stala i...

Premium

Konzumace jídla několikrát denně je klišé, tvrdí výživový poradce Fořt

Napsal více než dvacet knih o zdravém životním stylu a boji s obezitou. Petr Fořt tvrdí, že žádný obecně platný návod...

Premium

Test celoročních pneumatik. Jak si vedou za sucha, za mokra a na sněhu

K celoročním pneumatikám výrobci přistupovali po dlouhá léta macešsky. Konečně se však vrátily do jejich přízně....

Premium

Pes celý život čeká na to, až ho někdo sprdne, říká veterinář

Do své ordinace v centru Prahy dochází den co den už 22 let, aby znovu na nohy postavil čtyřnohé domácí mazlíčky. „I...

  • Další z rubriky

Japonsko v přípravě na olympiádu dovezlo první vzorky eboly

Japonsko se připravuje na možnost, že s návštěvníky olympijských her dorazí i nechtění původci nemocí. Do země kvůli...

Za kapku rtuti. Uplynulo šedesát let od jediné české vědecké Nobelovy ceny

V roce 1959 do Stockholmu dorazil jediný český vědec, který kdy dosáhl na Nobelovu cenu, Jaroslav Heyrovský. Tušíte, za...

OBRAZEM: Zvířata u NASA. Kolem Kennedyho kosmodromu žijí stovky druhů

Kennedyho vesmírné středisko patřící NASA je doslova obklíčeno přírodní rezervací Merritt Island, která je domovem...

Lednička na zamotaný drát? Fyzici vylepšili netradiční systém chlazení

Že byste mohli chladit jen s pomocí natahované či uvolňované gumy, zní možná nesmyslně. Jde však o dobře známý...

PORADÍME: Jak vybrat zimní boty pro děti?
PORADÍME: Jak vybrat zimní boty pro děti?

Zima pomalu, ale jistě klepe na dveře, a proto je nejvyšší čas myslet na zimní obutí vašeho dítěte. Dětská nožka roste rychlostí blesku, a tak se každoročnímu nákupu sezónní obuvi nevyhnete.

Najdete na iDNES.cz