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.
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.
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.
