"El Pais": Węgierski fizyk wynalazł "kamerę" podglądającą elektrony. To może być wielki przełom w medycynie
Badania Ferenca Krausza mogą doprowadzić do przełomu we wczesnej diagnostyce nowotworów. Tegoroczny noblista z fizyki zajmuje się badaniem świata elektronów. Rozwija lasery generujące krótkie impulsy. Węgierski naukowiec twierdzi, że ich zastosowanie w medycynie ma ogromną przyszłość. - Odkryliśmy bardzo obiecujący sposób wczesnego diagnozowania raka płuc.
Interia współpracuje z czołowymi redakcjami na świecie. W naszym cotygodniowym, piątkowym cyklu "Interia Bliżej Świata" publikujemy najciekawsze teksty najważniejszych zagranicznych gazet. Założony w 1976 r. dziennik "El Pais" od samego początku wyznacza standardy dziennikarstwa w Hiszpanii. Z przytupem wszedł w erę cyfrową i jest hiszpańskojęzycznym liderem cyfrowych subskrypcji.
Podobnie jak astronauta Neil Armstrong, który postawił pierwszy krok na Księżycu, węgierski fizyk Ferenc Krausz był pierwszą osobą, która zajrzała do nieznanego świata elektronów, nieuchwytnych cząstek, które działają jak spoiwo całej znanej materii.
Noblista Ferenc Krausz. Specjalista od attosekund
W nocy z 10 na 11 września 2001 r., około godziny 5:00 nad ranem, zespołowi Krausza udało się wytworzyć ultrakrótkie impulsy światła laserowego trwające 650 attosekund - attosekunda to jedna trylionowa część sekundy. Dzięki temu po raz pierwszy w historii ludzkość dysponowała tak ulotnym impulsem, który umożliwiał "fotografowanie" - badanie ruchu elektronów wewnątrz atomów.
Fizyk jednak nie miał czasu na delektowanie się sukcesem. - Kiedy wróciłem do biura kolejnego dnia, doszło do zamachów terrorystycznych na World Trade Center w Nowym Jorku - wspomina.
Węgierski naukowiec, urodzony w mieście Mór w 1962 r., w październiku otrzymał wspólnie z Anne L'Huillier oraz Pierre'em Agostinim Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki "za metody eksperymentalne, które pozwoliły na wytwarzanie pulsów światła trwających attosekundy celem badania zachowania elektronów" - jak głosi oficjalne uzasadnienie.
Co to oznacza? Atomy i cząsteczki przemieszczają się na mikroskopijne odległości, co zajmuje im biliardowe części sekundy. Żeby móc podglądać przebieg reakcji chemicznych z ich udziałem naukowcy potrzebowali aparatury - "kamery" - która działałaby jeszcze szybciej. Trójka noblistów została wyróżniona za wkład w budowę takiego urządzenia - ultraszybkiego lasera attosekundowego.
Na co dzień Krausz jest jednym z czterech dyrektorów Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka w Monachium. Jego zespół m.in. poszukuje zastosowań "kamery". W lutym br. po zdobyciu nagrody Premio Fronteras przyzwanej przez hiszpański bank BBVA zapowiedział, jakie będzie pierwsze zastosowanie aparatury w praktyce. Nowa technologia miałaby znaleźć zastosowanie w medycynie do badania próbek krwi, by wcześnie wykrywać choroby, w tym nowotwory.
Lasery generujące krótkie impulsy a zastosowania medyczne
Manuel Ansede, El Pais: W jaki sposób zamierzacie wykrywać raka na tak wczesnym etapie?
Ferenc Krausz: - Technologię lasera attosekundowego opracowano w celu uchwycenia ruchu elektronów w bardzo niskich rejestrach czasu. Równolegle okazała się bardzo przydatna do wychwytywania innego zjawiska: oscylacji pola elektrycznego światła.
- Na czym polegają nasze badania? Zasadniczo bierzemy bardzo krótki impuls światła podczerwonego i skupiamy go na próbce ludzkiej krwi. A raczej osocza krwi, ponieważ komórki usunięto i pozostały tylko cząsteczki. Nie jest ono nawet czerwone, ponieważ najpierw usunięto czerwone krwinki. W rzeczywistości ma żółtawy kolor i zawiera setki tysięcy różnych cząsteczek.
- W medycynie wiadomo, że w zdrowym organizmie ich stężenie mieści się w bardzo wąskim zakresie. Niektóre z nich są już wykorzystywane w rutynowych testach laboratoryjnych: mierzy się ich stężenie i porównuje z zakresami referencyjnymi u zdrowych osób. Jest to bardzo przydatne, ale nie daje pełnego obrazu stanu zdrowia.
- Wiele chorób nie ma biomarkerów (wskaźników biologicznych, które dostarczają informacji na temat różnego typu procesów - red.) lub przynajmniej nie zostały one odkryte.
Jeszcze nie ma...
- Właśnie dlatego istnieje ogromny przemysł badań nad biomarkerami. Firmy farmaceutyczne wydają miliardy euro każdego roku na poszukiwania nowych biomarkerów, dzięki którym będą mogły jak najwcześniej rozpoznawać choroby i leczyć je lub przynajmniej spowalniać ich rozwój.
- Typowym przykładem jest rak: każdy chce go wykryć tak wcześnie, jak to możliwe, ponieważ wtedy ma się większe szanse na wyleczenie. Istnieje ogromna presja na znalezienie nowych biomarkerów do wczesnej diagnozy, ale jest to jak szukanie igły w stogu siana. Spójrzmy na przykład istniejącego biomarkera o nazwie PSA (specyficzny antygen gruczołu krokowego - red.), który pozwala wykryć raka prostaty w bardzo wczesnym stadium rozwoju.
- Jego stężenie może być znacznie zwiększone przez zwykły stan zapalny w organizmie, co pokazuje, na ile jest to problematyczna kwestia. Dlatego wybraliśmy zupełnie inne podejście. Nie chcemy wybierać pojedynczych cząsteczek, ale szukamy metody, która może pozwolić na badanie wszystkich.
- Przypomina to pracę muzyka, która uderza w kamerton, by nastroić instrument. Wykorzystujemy krótkie impulsy światła laserowego, które odgrywa rolę młotka. Cząsteczka jest kamertonem: uderzamy ją przez bardzo krótki czas, po czym zaczyna wibrować. W ten sposób wprawiona w ruch nie generuje ona fal dźwiękowych, ale fale światła podczerwonego. Ich częstotliwość jest specyficzna dla każdej cząsteczki.
- Na tym właśnie polega pomysł. Pobieramy próbki krwi od zdrowych osób i od pacjentów z określoną chorobą, np. nowotworem płuc. Mierzymy i próbujemy dowiedzieć się, czy rak tworzy specyficzny wzór w molekularnym "odcisku palca" w podczerwieni w próbce krwi. I odpowiedź na tak postawione pytanie brzmi: tak.
Ferenc Krausz: Odkryliśmy obiecujący sposób wczesnego diagnozowania raka płuc
Na ile wyniki badań są wiarygodne?
- Sygnał jest znaczący. Odkryliśmy bardzo obiecujący sposób wczesnego diagnozowania raka płuc. I to nie tylko w IV stadium nowotworu (rak z przerzutami - red.), kiedy nie ma już szans na uratowanie pacjenta, czyli wtedy, gdy jest on diagnozowany w większości przypadków. Ten etap jest w zasadzie jednoznaczny z wyrokiem śmierci.
- Połowa przypadków raka płuc na świecie jest diagnozowana w IV stadium. Każdego roku milion osób dowiaduje się, że ma jeszcze tylko rok życia. Naszym celem jest wcześniejsze wykrycie nowotworu, w stadium I, II, a przynajmniej w III, gdy nie rozprzestrzenił się on jeszcze do mózgu, kości lub do innych części ciała.
- Dzięki naszej metodzie możemy wykrywać raka płuc ze skutecznością 90 proc., gdy jest w IV stadium, z 75 proc. skutecznością w stadium II i 56 proc. w I. Wciąż jest więc miejsce na poprawę, ale widzimy bardzo wyraźne sygnały, które powinny pozwolić nam w zoptymalizowaniu metody.
- Zbadaliśmy również siedem innych nowotworów, w tym raka piersi, prostaty, pęcherza moczowego i jelita grubego. We wszystkich przypadkach byliśmy w stanie wykryć bardzo charakterystyczny ślad światła podczerwonego.
Kiedy można spodziewać się wprowadzenia metody do szerszego użytku w diagnostyce?
- Przed nami jeszcze długa droga. Przede wszystkim metoda ta wymaga certyfikacji. Do tej pory przetestowaliśmy ją na 500 próbkach pacjentów i tysiącu zdrowych osób. Metoda wygląda na skuteczną i obiecującą, ale by przejść do zastosowań klinicznych, trzeba ją zweryfikować na wielu tysiącach próbek. Uzyskanie ich zajmie lata, ponieważ większość diagnoz stawia się w IV stadium nowotworu.
Ludzie nie chodzą do lekarza wcześniej, ponieważ nie maja objawów, a jeśli nie ma diagnozy, nie ma próbek do walidacji naszej metody. Nawiązujemy współpracę z największymi szpitalami w Niemczech, by spróbować uzyskać tysiące próbek od pacjentów z rakiem płuc. Będziemy potrzebować na badania dodatkowo około pięciu lat.
Elektrony kluczowe dla codziennego życia
Kiedy mówi się o elektronach, wszyscy myślą o urządzeniach elektronicznych, ale przecież ludzie również są częściowo elektronami...
- Tak, elektrony odgrywają absolutnie kluczową rolę w naszym życiu, zarówno biologicznym, jak i technologicznym. Działają jak klej, który sprawia, że atomy tworzą cząsteczki. Te ostatnie, podobnie jak białka, są najmniejszymi funkcjonalnymi jednostkami każdej żywej istoty.
- Wiemy, że każda zmiana w strukturze tych podstawowych cegiełek życia może mieć bardzo poważne konsekwencje, prowadząc do niebezpiecznych chorób, jak rak. A zmiany w strukturze zawsze wiążą się z ruchem elektronów.
- Przez długi czas chemicy wierzyli, że femtosekundy (jedna femtosekunda równa się jednej biliardowej części sekundy - red.) są najszybszą z odpowiednich skal czasowych dla cząsteczek. To w tej skali inni badacze przeprowadzili pionierskie eksperymenty, jak egipsko-amerykański chemik Ahmed Zewail, który w 1999 r. otrzymał Nagrodę Nobla z chemii za prace z dziedziny femtochemii - zajmuje się badaniem przebiegu reakcji chemicznych w bardzo krótkich, femtosekundowych skalach czasu.
- Ludzie myśleli, że szybsze skale czasowe nie są istotne, ale to się zmieniło. Obecnie wiemy, że ruch elektronów w ultraszybkiej skali attosekundowej może z góry określić, które reakcje zajdą w następnej kolejności i które wiązania chemiczne zostaną zerwane lub przekształcone, by dać początek nowej strukturze. W ten sposób powstała dziedzina attochemii.
Czy uważa pan, że dzięki badaniom wkrótce pojawią się nowe zastosowania w technologii?
- Jesteśmy zależni od urządzeń, z których korzystamy na co dzień, jak laptopy. Szybkość, z jaka możemy włączać i wyłączać zasilanie, pozostaje niezmienna od prawie dwóch dekad. Wynosi ona około 10 gigaherców - 10 mld razy na sekundę - kiedy możemy włączać i wyłączać zasilanie w obecnych chipach wbudowanych w nasze telefony komórkowe i komputery.
- To ogromna moc, ale ciągle istnieje zapotrzebowanie na wykonywanie coraz szybszych obliczeń. Nawet dzisiejsze superkomputery nie są w stanie przewidzieć tak złożonych zjawisk jak trzęsienia ziemi. Oczywiście, że istnieje zapotrzebowanie na większą moc.
Czego można się spodziewać?
- Istnieją dwie możliwości, aby dokonać przełomu. Jedną z nich jest dalsza miniaturyzacja, by móc zintegrować jeszcze więcej tranzystorów w ramach tej samej objętości. Ta opcja ma jednak swoje granice. Już teraz osiągamy nanoprocesory w zakresie 10 nanometrów. A stąd niedaleko do osiągania wymiarów o wielkości atomów, chociaż trudno jest sobie wyobrazić, w jaki sposób pojedynczy atom mógłby utworzyć tranzystor.
- Pozostaje więc czwarty wymiar: czas. Wykorzystaliśmy technologię attosekundową do zbadania kryjącego się w niej potencjału. W zeszłym roku opublikowaliśmy badania, wedle których w warunkach laboratoryjnych możemy włączać i wyłączać prąd za pomocą pola elektrycznego światła widzialnego, które oscyluje w górę i w dół około 100 tys. razy bardziej niż promieniowanie z zakresu mikrofalowego, które włączają i wyłączają prąd w dzisiejszej elektronice. Mamy więc pole do poprawy - i to bagatela - 100 tys. razy.
--
Bądź na bieżąco i zostań jednym z 200 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Interia Wydarzenia na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!
---
Autor: Manuel Ansede / EDICIONES EL PAÍS 2023
Tłumaczenie Mateusz Kucharczyk
Tytuł i śródtytuły oraz skróty pochodzą od redakcji
---
CZYTAJ TAKŻE:
