2019. szeptember: jegyzet, fizika, biofizika, biológia, lézer, mérés, tudomány, kémia, egészségipar, portré, bioinformatika, egyetem, ipar 4.0, innováció, öntészet, fenntarthatóság, energiagazdálkodás, disszemináció, zöldkörnyezet, építés, környezetvédelem, ipari automatizálás, it, mesterséges intelligencia
2019. szeptember 4.

Szerző:
Szegedi Imre

Agyhűtés, kétfoton-mikroszkóp és gépi tanulás

Számos új kutatási projekttel indult 2018 áprilisában a Nemzeti Bionika Program. A Pázmány Péter Katolikus Egyetem, a Semmelweis Egyetem és a Bionikai Innovációs Központ Nonprofit Kft. együttműködésében zajló, 1,9 milliárd forint összköltségű, 2021 júniusában záródó programot a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatja.


A bionika olyan új, több szaktudományt átfogó tudományág, amelynek célja a természetben működő meg­oldások átültetése a mindennapokba. Az alapötlet ugyanis az, hogy az evolúció során született megoldások hatékony alapot jelenthetnek egy-egy műszaki, orvosi problémára. A bionika művelésében természettudósok, mérnökök és más tudományágak képviselői (építészek, formatervezők) is együttműködnek. A kifejezés – amely a görög biosz (természet) és az angol technics (technika) szavak összevonása – nyilvánosan először 1960-ban, Jack E. Steele amerikai repülőmérnök előadásában, egy tudományos konferencián hangzott el. Jóllehet a kifejezés új keletű, az ember évezredek óta használja a természetből ellesett megoldásokat. A görög mitológia szerint Ikarosz a karjára erősített, madártollakból összeállított szárnyakkal próbált repülni.

A bionika olyan új, több szaktudományt átfogó tudományág, amelynek alapgondolata, hogy az evolúció során született megoldások hatékony alapot jelenthetnek egy-egy műszaki, orvosi problémára. A bionika hazai fejlesztése egész Európában egyedülálló, és óriási kitörési lehetőséget jelenthet a magyar gazdaság számára. A Nemzeti Bionika Program számos, a mindennapi életben is hasznosítható technikát, módszert ígér. (A görög mitológia szerint Ikarosz a karjára erősített, madártollakból készített szárnyakkal próbált repülni.)

Leonardo da Vinci is úgy képzelte, hogy az ember a madarakéhoz hasonló szárnyakkal emelkedhet a magasba. (A modern repülők szárnyvégének kialakítását szintén a természetből lestük el. Meg­figyelték, hogy némely madarak repülés közben szárnyaik végét felfelé hajlítják – ez alapján fejlesztették ki az úgynevezett wing­letet [szárnyvégi fül], amelynek segítségével jelentősen csökkent a lég­ellenállás, és ezzel a repülőgépek energiafogyasztása.)
A tudományág oktatásának a hazai felsőoktatási intézményekben két évtizedes múltja van. A Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai és Bionikai Karát (PPKE ITK) Roska Tamás professzor 1998-ban alapította. A Kar, a Semmelweis Egyetemmel együttműködve, 2008 óta folytat molekuláris bionika mérnöki alapképzést, amely 2012-től info-bionika mérnöki és orvosi biotechnológia mesterképzéssel egészült ki. A Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Karán alapképzésben a molekuláris bionika oktatásával foglalkoznak 2010 óta.
Az egyetemek mellett az akadémiai kutatóintézetekben is sorra jöttek létre bionikával foglalkozó kutatócsoportok. A Nemzeti Bionika Program elsődleges célja a csoportokban folyó kutatások támogatása, a szakterület hálózatosodásának elindítása, a létre­jövő eredmények ipari hasznosításának biztosítása. A program támaszkodik a 2013 februárjában alapított Bionikai Innovációs Központ – a két létrehozó a Semmelweis Egyetem és a Pázmány Péter Katolikus Egyetem – keretében létrejött kutatási eredmé­nyekre, megvalósult innovatív technológiai megoldásokra. A program a Páz­mány Péter Katolikus Egyetem, valamint a Semmelweis Egye­tem meglévő kutatás-fejlesztési infrastruktúrájára és az ott dolgozó – nemzetközi szinten is elismert – kutatók szakmai munkájára épít. A kutatásokból és fejlesztésekből létrejövő termékekre, eljárásokra világszerte óriási a kereslet, ezért az elindult kutatások alapján a magyar bionikai ipar újabb és újabb termékekkel jelenhet meg a hazai és nemzetközi piacon. A bionika hazai fejlesztése egész Európában egyedülálló, és komoly kitörési lehetőséget jelenthet a magyar gazdaság számára. A program számos, a mindennapi életben is hasznosítható technikát, módszert ígér. Összeállításunkban néhány, a nem szakmabeliek számára is fontos fejlesztés célját, az indulás óta elért eredményt, valamint a várható piaci hasznosítását ismertetjük.

A Semmelweis Egyetem professzor asszonya, Molnár Mária Judit a Nemzeti Egészségtárház, a NegTár nevű projektet vezeti. Ennek célja száz magyar egészséges idős egyén teljes genomszekvenciájának, továbbá életviteli, környezeti, klinikai adatainak tárolása. A klinikai szakaszban az egészséges idősek fenotípusá-nak meghatározása nemzetközi standardok alapján történik – az egészségi állapotra vonatkozó jellemzők megállapítása mellett genetikai, életmódbeli, környezeti és egészségügyi/klinikai adatfelvételre is sor került. Ezt követi a teljes genom szekvenálása és annak értékelése.

Molnár Mária Judit – Nemzeti egészségtár projekt. Nemzeti kutatási infrastruktúra megteremtése.

Az indulás óta 28 genom szekvenálását fejezték be, illetve megtervezték, elkészítették és tesztelték az egészségügyi és genetikai adatok kezelésére, tárolására használható informatikai rendszert. Az adatbázis alkalmas az egészséges élettartammal és öregedéssel kapcsolatos adatok, a teljes genomi adatok, illetve ezek statisztikáinak tárolására, egységes lekérdezésére. Hasonlóan fontos az egészséges élettartammal, korfüggő betegségekkel és öregedéssel kapcsolatos nyilvános genomikai adatok összegyűjtése és lekérdezésbe történő integrálása. A projekt keretén belül keletkező magyar referencia genom adatbázis számos hazai, genomikai témájú kutatás segítő infrastruktúrája lesz.

Patócs Attila, a Semmelweis Egyetemen dolgozó Lendület-ösztöndíjas kutató és csoportja klinikai genetikai munkához használható örökletes rákpanelek vizsgálatára hozott létre méréstechnikát (reagens készletet és bioinformatikai munkafolyamatot) és a hazai betegek genetikai adatbázisát. Az úgynevezett Endogen panelben kilencven beteg genetikai vizsgálatára került sor, összesen 44 betegben igazoltak betegségért felelős géneltérést (50 százalékos a találati arány), ami az irodalomban unikális, hiszen eddig átlagosan 35-40 százalékos volt a találati arány.

A Cserey György (PPKE) vezette csoport a gépi tanulás csúcstechnológiás szuperszámítógépes megoldásait kutatja a digitális orvoslásban és telemedicinában kivitelezhető fejlesztésekhez. A cél mélytanuló algoritmusok kidolgozása, valamint adatbázis építése, eszköz beszerzése, konfigurálása. A projekt eredményeként partnereik számára kép- és adatfeldolgozási szolgáltatást biztosítanának orvosi döntés-előkészítéshez. További céljuk, hogy a munka piaci bevételt hozzon, valamint a gépi tanulás témakörében szakmai és konzultációs központ alapítása.

Szenzorok, hálózatok és mesterséges intelligencia alapú analitikai módszerek fejlesztése atléták teljesítményének és technológiájának optimalizálására a Grand László (PPKE) által vezetett alprogram célja. Olyan mérőrendszert szeretnének létrehozni, amely segíti a sportolók (elsősorban kajak-kenusok) teljesítménynövelését laboratóriumi és hagyományos edzési körülmények között.

Grand László – Szenzorhálózatok projekt. Mérőrendszer létrehozása, amely atléták tel­jesítménynövelé­sét segíti laboratóriumi körülmények között.

Ugyancsak fontos elképzelés ruhába integrálható szenzorháló kifejlesztése mozgás- és EMG-detektáláshoz. (Az EMG az elektromiográfia rövidítése, amely az izom elektromos vizsgálatát jelenti.) az első eredmények között kell említeni a szinkronizált teljesítmény és sokcsatornás izomaktivitás elvezetését, valamint erőmérő cellák integrálását a lábbal kifejtett erő mérésére. Arra is hangsúlyt fektetnek, hogy az EMG- és a teljesítményadatokból összefüggéseket keressenek, amelyek alapján modelleket készítenek. Ehhez igen fontosak voltak azok az adatok, amelyeket tizenkét top atléta (válogatott, sőt olimpiai érmesekről is szó van) mérési eredményeiből kaptak. A kutatások eredményeként olyan méretűre szeretnék csökkenteni majd a szenzorokat, hogy azokat az alsó- és felsőruházatba integrálhassák. Ha ez sikerül, lényegében ott a prototípus, amely a hardver és szoftver együtteseként jelenik meg, és amelyet esetleg szabadalmi bejelentéssel védhetnek. A felhasználók között lehet a Magyar Kajak-Kenu Szövetség, de az itteni eredményeket jégkorongozók, úszók, vívók is használhatják, akikkel keresik a kapcsolódási pontokat. Rendszerük hasznos lehet sportolók rehabilitációjánál, illetve mozgásszervi/fejlődési rendellenességgel született gyerekek fejlesztésénél.

A 3D Bionyomtatás Kompetencia Központ a Semmelweis Egye­tem I. Patológia Tumorbiológia, Sejt és Szövettenyésztő Laborjá­nak és a II. Belklinika – Endokrinológiai Genetika Lendület Kutatócsoportjának összefogásán alapul, és Sebestyén Anna irányítja a kutatást. Elsődleges cél a 3D bionyomtatásra alkalmas laboratórium létrehozása, amelyben számos különböző területen dolgozó (mérnök, biológus, orvos, biomérnök, elektromérnök, anyagtudományokban jártas szakember) kutató 3D szövetnyomtatást végezhet.

Sebestyén Anna – 3D bionyomtatás. Tudásbázis és 3D bionyomtatásra alkalmas laboratórium kialakítása.

A kutatás későbbi fázisában a mesterségesen előállítható tumorszövetekkel zajló kutatás eredményeként a technológia a személyre szabott terápiában is felhasználható lehet. Az előkészítő munkának köszönhetően idén már biotintával nyomtathatnak egy új 3D bionyomtató segítségével. Párhuzamosan olyan tesztrendszereket dolgoztak ki, amelyekkel 3D-ben a tumorszöveti heterogenitás és az érzékenységvizsgálatok precízebbé tehetők. Munkájuk hozzájárulhat a daganatok metabolikus heterogenitásának megértéséhez, amivel kapcsolatosan esetleg új gyógyszercélpontokat vagy régi-új potenciális daganatterápiás szereket azonosíthatnak. Mindezek segítségével új terápiatervezési algoritmusok kidolgozása, valamint rezisztenciajóslás is várható.

Erőss Loránd és Pongrácz Anita (PPKE) a kontrollált agyfelszíni hűtés klinikai transzlációja felé teszi meg az első lépéseket. Erőss Loránd, az Országos Klinikai Idegtudományi Intézet Funkcionális Idegsebészeti Osztályának vezetője munkacsoportjával elsőként ültetett be tavaly áprilisban egy Parkinson-kóros beteg agyába a betegség tüneteit enyhítő elektródákat a Rosa nevű idegsebészeti robot segítségével. A programból támogatott kutatók azokból az állatkísérletes adatokból és klinikai tapasztalatból indulnak ki, hogy számos idegrendszeri megbetegedés esetén az agy mérsékelt, lokális hűtése akár terápiás céllal is alkalmazható lehetne. Kutatásukban a klinikumban is használható, a koponyacsont alá beültethető, az agy elektromos aktivitását és hőmérsékletét együtt, egy időben, több pontban mérni tudó, krónikus agyfelszíni hűtésre alkalmas orvostechnikai eszköz létrejöttét alapozzák meg.

Erőss Loránd és Pongrácz Anita – Epilepszia projekt. Multi­modális szenzorhálózat kidolgozása az epileptikus emberi agy hűtésre adott helyi válaszának feltérképezéséhez.

A kutatók azt vállalták, hogy elkészítik a külső hűtőegységet, a koponyacsont alá ültethető szenzorhálózatot, amely az agyi elektromos aktivitással szimultán méri a lokális agyfelszíni hőmérséklet eloszlását. Méréseik segítségével meghatározzák azt a minimális hűtési területet, hőmérsékletet és időt, amellyel az epilepsziás rohamok megszüntethetők. A projekt eredményeképpen létrejövő, a koponyacsont alá ültethető flexibilis, hőmérsékletmérésre és elektrofiziológiai mérésre szimultán használható szenzorháló alkalmas lehet a piaci megjelenésre mind állatkísérletes kutatólaboratóriumok számára, mind humán epilepsziasebészeti kivizsgálás területén.

Kusnyerik Ákos és Maák Pál (PPKE) a klinikai környezetben használható szemészeti vizsgálatra alkalmas kétfoton-mikrosz­kó­pot fejlesztik. A létrejövő produktum számos, szemmel és környező idegszövettel kapcsolatos vizsgálatot tesz lehetővé, amely más laborokban a klinikai gyakorlatban nem áll rendelkezésre. Lehetőség nyílik speciális leképezési hibák felderítésére és mérésére, nagy felbontású képalkotásra a különböző belső felületekről, beleértve a retinát is, amely sejtszintű diagnosztikát tesz lehetővé egyes betegségek felderítésére, diagnosztizálására.

Kusnyerik Ákos és Maák Pál – Emberi retina projekt. Az emberi retina kétfoton-mikroszkópos vizsgálatának ki­dolgozása és a készülék fejlesztése.

A projekt a retinában elhelyezkedő idegsejtek funkcionális in vivo vizsgálatának megvaló­sítására koncentrál, amelynek egyik lehetséges ígéretes eszköze a kétfoton-mikroszkópia, amelyet emberi vizsgálatra még nem alkalmaztak. A hazai szakemberek előkészítik az emberi szemben használható kétfoton-mikroszkóp kifejlesztését, és megtervezik a mikroszkóp optikai részét, valamint a különböző szemekhez adaptálható flexibilis optikai kapcsolatát. Az elmúlt időszakban méréseket végeztek állatokban és in vitro emberi retinákon a gerjesztő lézer fototoxicitásának kimérésére, valamint a különböző típusú idegsejt-aktivitások azonosítási feltételeinek feltérképezésére. A kutatók reményei szerint a kidolgozott mérési módszerek és protokollok egyaránt érdeklődésre tarthatnak számot. A humán kétfoton-mikroszkóp a nemzetközi piacon nagy áttörés lenne, különösen, hogy a gyártás is Magyarországon valósítható meg.

Karacs Kristóf (PPKE) és kollégái bionikus szemüveg kifejlesztésére vállalkoznak. A világon mintegy 280 millió látássérült ember van, akiknek a fejlesztés hatalmas segítséget jelenthet. A látás­sérülteknek készülő, intelligens környezeti érzékelést megvalósító alkalmazással a hétköznapi felismerési funkciók egyszerű és egységes felhasználói felületen keresztül történő biztosítására nyílik mód.

Karacs Kristóf – Bionikus szemüveg projekt. LetSee applikáció

Amire alkalmas lehet a különleges szemüveg: pénz-, kártya-, színfelismerés, de nagyítóként is használható, illetve mérőóra-leolvasásra is alkalmassá tehető.

A Pázmány Péter Katolikus Egyetem munkatársa, Márton Gergely kollégáival multimodális humán-gép interfész fejlesztésére vállalkozott. A cél olyan viselhető eszköz megalkotása, mely szemfókusz és arcmimikai gesztusok érzékelésére egyaránt alkalmas. Ezáltal a kezük mozgatására nem, vagy alig képes emberek szá­mára kommunikációs, interakciós lehetőség biztosítható (billentyűzet, egér kiváltása).

Márton Gergely – Ember-gép kapcsolat projekt. Szem­mozgást követő viselhető eszköz fejlesztése.

A kutatók a saját fejlesztésű, szemüvegszerű hardverhez a gépi látás és a mélytanulás legkorszerűbb vívmányait felhasználó szoftverek segítségével valósítják meg a megfelelő funkciókat. Az eszköz, melynek fejlesztése mozgássérült felhasználók bevonásával zajlik, a diszlexia korai diagnosztizálásában is fontos szerepet tölthet be.

A PPKE másik munkatársa, Laki András József és kollégái mikrofluidikai rendszereket állítanak elő teranosztikai – ez a kifejezés a terápia és a diagnosztika szó összevonásával szüle­tett – alkalmazásokhoz. (Mikrofluidikai eszközök használatával gyorsabb és olcsóbb a kimutatás kis térfogatú mintákból.) Első lépésként keringő tumorsejtek csapdázására alkalmas mikro­fluidi­kai szűrőeszközt terveztek a kutatók, mely egy kígyó alakú csatornából, illetve a párhuzamos csatornák között lévő kehely alakú mikrokapillárisokból áll. A kapillárisok mérete küszöbérté­kül szolgál, így az annál nagyobb részecskék fennakadnak, míg a kisebbek áthaladnak a szűrőn.

Laki András – Mikrofluidika projekt. Keringő tumorsejtek csapdázására alkalmas mikrofluidikai szűrőeszköz tervezése és kivitelezése.

A program indulása óta a kutatók elvégezték a tervezett mikrofluidikai eszköz sebesség- és nyomásprofiljának elemzését folyadékdinamikai szimulátorral. Az eszköz nyomásvezérelt áramlási tulajdonságai miatt a minta keresztüláramlik a párhuzamos sorok között elhelyezett mikrokapilláris csapdázóegységeken. Csapdázás után az áramlás útja akadálytalan a „kígyó alakú” főcsatornán, így elkerülhető az eszköz eltömődése. A folyadék áramoltatását és a mérés kiértékelését lehetővé tevő keretrendszert összeállították. A mérés során alkalmazni kívánt folyadékáramoltatási paramétereket meghatározták. A cél természetesen ebben az esetben is a piacon is eladható termék létrehozása.

A szisztémás és szöveti biomarkerek kutatása, azonosítása, mennyiségi viszonyainak vizsgálata a klinikai innováció egyik fő irányát jelenti. A szemünk előtt zajló technológiai-informatikai for­radalom lehetővé teszi, hogy a korábbiakhoz képest jóval nagyobb számú vegyületek nagyságrendekkel kisebb mennyiségeit kimutathassuk és meghatározzuk, illetve a vizsgálatok eredményeit sokkal összetettebb elemzéseknek vessük alá. A Vásárhelyi Barna professzor (Semmelweis Egyetem) által vezetett Biomarker projekt célja szisztémás és szöveti molekuláris biomarkerek korszerű vizsgálati lehetőségeinek megteremtése, köztük új, a betegségek jobb megértését és így talán a gyógyítást elősegítő összefüggések feltárása.

Vásárhelyi Barna – Biomarker projekt. A projekt meg­valósításához használt analitikai rendszerek.

A programnak köszönhetően nagy áteresztőképességű diagnosztikai eljárást fejlesztettek a D-vitamin-származékok, valamint a szervezetben a mellékvese, a petefészkek, illetve a zsírsejtek által termelt szteroidhormonok vizsgálatához. Ezek a fejlesztések anyagilag is megtérülhetnek, mivel a kapott eredmények felhasználhatók egyénre szabott kezelés kialakításához.

A Nemzeti Bionika Program jelenleg félidőben tart. A programban részt vevő tizenkilenc kutatócsoport ez év júniusában számot adott az Ulbert István vezette Irányító Testületnek az elmúlt időszakban folytatott kutatásairól. A csoportok beszámoltak az elért sikerekről, az előttük álló nehézségekről és a projekt végén várható eredményekről.
A projekt eredményei négy kategóriába sorolhatók. Egyrészt kézzelfogható eszközök, illetve eljárások kerülnek ki a Nemzeti Bionika Program csoportjainak kutatási, fejlesztési tevékenysége folytán, mint például egyes eszközök prototípusai vagy kidolgozott analitikai módszerek és szoftverek, vagy bárki által letölthető, a mindennapi életet segítő mobiltelefonos alkalmazások. Az eredmények második csoportjába sorolhatók a projekt kere­tében megszülető szellemi termékek, szabadalmak, használati­minta-oltalmak, melyek erősítik, gazdagítják a nemzet, illetve az együttműködő egyetemek szellemi tőkéjét. Az eredmények harmadik csoportjába azok az ipari partnerrel kötendő kutatási, fejlesztési és együttműködési megállapodások – ipari együttműködések – tartoznak, melyek bekapcsolják az egyetemi kutatólaboratóriumokat az ipari innovációs láncba, ezáltal erősítve az egyetemek és az ipari innovátorok kötődését és a későbbiekben a hatékonyan működő hálózatok kialakítását. Végül, de nem utolsósorban: a kutatócsoportok számos fontos, nagy presztízsű folyóiratban megjelenő tudományos publikációval járulnak hozzá a hazai és egyetemes tudás gyarapításához.•

 
Innotéka