2018. január–február: jegyzet, orvostudomány, portré, lézer, innováció, tudomány, atomenergia, energiagazdálkodás, startup, agrárium, zöldkörnyezet, genomika, fenntarthatóság, kiállítás/konferencia, robotika, it

Lézerrel detektált bőrdaganat

Kóros bőrelváltozások in vivo diagnosztikájára alkalmas új eljárást (DVRF-CARS) fejlesztett ki munkatársaival Szipőcs Róbert, az MTA Wigner FK Szilárdtestfizikai és Optikai Intézetének (SZFI) főmunkatársa, az R&D Ultrafast Lasers Kft. vezetője. Lézeres fejlesztéseit az akadémiai intézet is elismeri: 2015-ben egy CARS mikroszkóprendszer kifejlesztéséért, 2017-ben pedig egy szállézeren alapuló, kis méretű, nemlineáris mikroszkóp előállításáért vehette át az intézet alkalmazott kutatási díját.


A CARS (Coherent anti-Stokes Raman scattering) módszeren alapuló képalkotási eljárással úgy ka­punk háromdimenziós képet, hogy közben a vizsgálandó minta egyes kémiai összetevőit nem kell specifikus festékkel megjelölni, illetve arra sincs szükség, hogy azok természetes fluoreszcenciával rendelkezzenek. Az eljárással egyes molekuláris rezgési állapotok szelektív gerjesztése révén jutunk hasznos optikai jelhez. A CARS mé­­rő­rendszer prototípusát Szipőcs Róbert és munkatársai a Wignerben építették meg 2012-ben, majd egy Miamiban rendezett szakmai konferencián mutatták be először. Maga a CARS lézerrendszer egy titán-zafír lézerből, egy CARS-egységből és egy itterbium-szállézeres erősítőből áll. A biológiai mintákról a háromdimenziós képeket egy Zeiss pásztázó mikroszkóp segítségével állítják elő. A magyar kutatók már évekkel ezelőtt leírták, hogy a különböző nemlineáris mikroszkópiás módszereket (mint például a CARS) a bőrgyógyászatban, például bőrdaganatok diagnosztizálásában is használni lehet. Az első bejelentés óta (l. Lézeres diagnosztika a bőrgyógyászatban, Innotéka, 2013. június) sokat haladtak előre ezen a tudományterületen.

A laborvezető Szipőcs Róbert fizikus Kiss Norberttel, a Semmelweis Egyetem Bőr-, Nemikórtani és Bőronkológiai Klinikájának orvos végzettségű PhD-hallgatójával (témaveze­tők: Wikonkál Norbert [SE], Szipőcs Róbert [Wigner FK]) közösen új képalkotó eljárást fejlesztett ki 2017-ben. A technika a CARS képalkotó módszeren alapul, és eredménye a hagyományos szövetfestéssel, azaz a hematoxilin-eozin (H&E) festéssel kapott képhez hasonlít. Az új megoldással nem egy, hanem két molekuláris rezgési állapotot gerjesztenek (innen származik a „dual vibration resonance frequency”, röviden DVRF elnevezés), majd a kapott két kép összevetésével a patológus szakemberek számára jól ismert, hagyományos szövettani festésnek megfelelő képet állítanak elő.

„Azért van szükség szövettani festésekre, mert ahhoz, hogy egy adott bőrelváltozást diagnosztizálni lehessen, hogy az daganat vagy sem, először sebészi módszerrel mintát kell venni, amit szövettani feldolgozás követ. A mintát formalinnal fixálják, paraffinba ágyazzák, majd metszeteket készítenek. A következő lépés a szövettani festés, ami az esetek döntő többségében H&E festést jelent” – tájékoztatta magazinunkat Kiss Norbert. A festett metszetet kiértékelik a patológus szakorvosok, ők határozzák meg, hogy egészséges vagy tumoros szövetről van-e szó. Ha utóbbiról, akkor azt is megmondják, hogy jóindulatú vagy rosszindulatú-e az elváltozás. A műtétek előtt azt is meg kell állapítani, hogy hol van egy adott elváltozás határa. Hosszabb távon olyan eszközre volna szükség, amellyel műtét közben folyamatosan vizsgálni lehetne az érintett szövetet, amellyel behatárolható, hol kezdődik és hol ér véget a tumor. Jelenleg gyakorta előfordul, hogy az utólagos elemzés szerint maradt kóros szövet, ezért újra kell operálni a beteget, különben könnyen kiújul a betegség.

Egér bőr felhám réteg (A–C) és humán bazalióma típusú bőrtumor (D–F) CARS képei. A, D: CH2 beállításhoz tartozó képek; B, E: CH3 beállításhoz tartozó képek; C, F: DVRF-CARS képek (piros: CH2-CH3, kék: CH3-CH2).

A két kutató elsősorban a bazalióma néven ismert bőrdaganatot vizsgálja, ami a fehér bőrű populációban előforduló rosszindulatú daganatok közül a leggyakoribb. A bazaliómák legtöbbször a napsugárzásnak kitett testfelületen jelennek meg. Kezelés nélkül megnőhetnek és roncsolhatják a környező szöveteket – szerencsére nem képeznek áttétet.

A DVRF-CARS módszeren alapuló szövetfestésre kidolgozott eljárásukat tavaly ősszel publikálták a Pathology & Oncology Research című lapban. Tavaly szeptemberben a Euro­­pean Society for Dermatological Research (a világ legnagyobb bőrgyógyászati kutatásokkal foglalkozó társasága) Salz­burgban rendezett kongresszusán Kiss Norbert nemcsak poszteren mutatta be eredményeiket, hanem előadást is tartott a témáról. A Magyar Dermatológiai Társaság novemberi budapesti kongresszusán is ugyanerről a módszerről beszélt. „Legfontosabb eredményünk, hogy az eljárással olyan képet kapunk a vizsgált szövetről, amilyet korábban a hagyományos úton kaptak a patológusok. Nem igényel plusz jártasságot az új módszerrel készített képek kiértékelése” – állítja Kiss Norbert.

Humán bazaliómáról készített multimodális (AF+SHG) mozaikkép, amely 6 x 10 db, pontosan egymáshoz illeszkedő, 420 x 420 μm2 te­rületű mikroszkópiás képkockát tartalmaz, így a kép kb. 2,5 x 4,2 mm2-es bőrterületről ad információt. Sárgával a detektált autofluoreszcenciáról (AF), bíborral pedig a kollagén által keltett másodharmonikus jelről (SHG) készített képeket jelöltük.

A szövetek két legnagyobb alkotója a lipidek és a fehérjék. A lipidekben a metiléncsoport (CH2), a fehérjékben a metil­csoport (CH3) fordul elő leggyakrabban, ezek megfelelő optikai eljárással láthatóvá tehetők. A CARS rendszerrel dolgozó kutatók a molekuláris rezgési állapotok energiájának kis különbségét használják a lipidek és a fehérjék elkülönítésére. Először egerek bőrén vizsgálták, majd a sikeres tesztelések után humán bőrt is elemeztek. Először a felhámot, majd az irhát vizsgálták. Utóbbi legnagyobb alkotója a kollagén. Daganat kialakulása esetén a kollagén helyét a daganatsejtek, illetve az általuk létrehozott kollagén veszi át. E fehérje természetű molekula vizsgálata szintén a daganatok diagnosztizálását, kiterjedésének meghatározását segítheti. A kollagének átépülése alapján a da­ganatok kiterjedését határozhatják meg, elkülöníthetik az egészséges és a daganatos szövetet. Kiss Norbert numerikus eljárásokkal értékeli ki a tumoros mintákat. Különböző kvantitatív módszereket hasonlít össze, az eljárás szenzitivitásának növelése érdekében. A kutatók szerint a képek numerikus analízise az automatizált sebészi eljárások, a robotsebészet tér­hódítását segítheti elő, ami nincs messze, hiszen ez a fejlesztés már most alkalmas valós idejű információk közvetítésére – ezekről a legújabb eredményekről nemrégiben küldtek be anyago­kat a Biomedical Optics 2018 konferenciára. Szipőcs Róbert szerint a bőrelváltozások mellett az agykutatásban (l. például Ozsvár és társai, Brain Research Bulletin, 2018), illetve egyéb szervek vizsgálatában is használhatják majd az új képalkotási és kiértékelési módszereket.

Humán ép bőr (A, C) és bazalióma (B, D) kollagén másodharmonikus keltés (SHG) kvantitatív algoritmusok által feldolgozott képei. Ezekkel az algoritmusokkal vizsgálhatók az egyes kollagénszálak tulajdonságai, valamint egymáshoz viszonyított helyzete. A képek mérete 420 x 420 μm2.

Következő céljuk, hogy a jelenleg még asztalnyi kiterjedésű mérőrendszer méretét és árát is drasztikusan lecsökkentsék. Véleményük szerint akkor kerülhetnek ugyanis ezek a bőrgyógyászati, orvosi rendelőkbe, ha az áruk összemérhető egy középkategóriás autó árával. Ezen dolgoztak-dolgoznak az R&D Ultrafast Lasers Kft. által vezetett kutatási konzorcium munkájában részt vevő kutatók, mérnökök és szoftverfejlesztők (l. Krolopp és társai, Biomedical Optics Express, 2016).•

 
Innotéka