Naujas spektroskopijos metodas – vėžio diagnostikai ir beskausmiams medicininiams tyrimams

Šiuolaikinėje medicinoje vis dažniau bandoma sukurti naujus diagnostinius metodus, kuriuos taikant pacientai patirtų kuo mažiau nemalonių pojūčių ir skausmo. Atliekant vėžio diagnostinius tyrimus, chirurginių operacijų metu nemalonius pojūčius galima sumažinti pasitelkus spektroskopijos metodą. Spektroskopija leidžia atlikti tyrimą ir diagnozuoti vėžį naudojant vien tik infraraudonuosius spindulius, apsieinant be invazinio tyrimo sukeliamų nemalonių pojūčių.

Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Cheminės fizikos instituto spektroskopininkų mokslinė grupė šiuo nauju metodu tiria vėžines ląsteles, kraujo mėginiuose ieško aspirino, o seilių bandiniuose – kofeino. Tokiais tyrimais galima nustatyti tikslias piktybinių auglių ribas, patvirtinti vaistų ir narkotinių medžiagų vartojimo faktą ir kiekius. Mokslinės grupės vadovą prof. Valdą Šablinską ypač domina biologinių audinių spektriniai tyrimai, nes jų metu naudojama šviesa įsismelkia ne tik į tarpląstelinį skystį, bet ir į ląsteles. Taip yra gaunama daug informacijos tiek apie tarpląstelinę terpę, tiek apie ląstelės vidų.

Spektroskopiniai eksperimentai vyksta kasdien

Prof. V. Šablinskas spektroskopiją laiko bene svarbiausiu medžiagų tyrimo metodu. „Tirti medžiagų savybes reiškia jas kažkuo paveikti ir stebėti jų atsaką. Galima panagrinėti paprastą pavyzdį: smogus plaktuku į stiklą, jis sudūžta. Šį procesą galima apibūdinti moksliškiau: paveikus stiklą mechaniškai, gaunama informacija apie labai svarbią stiklo charakteristiką – trapumą“, – paaiškina jis. Spektroskopijoje medžiagas paveikus šviesa stebima, kaip šviesa pakito po sąveikos su medžiaga: buvo selektyviai sugerta, kiekvienai medžiagai savitu būdu išsklaidyta, perspinduliuota ir pan. Mokslininko teigimu, tiriant šviesos charakteristikas po sąveikos su medžiaga yra nustatomos įvairios medžiagos savybės: cheminė struktūra, kristališkumas, cheminės sąveikos, molekulių judrumas ir kt. „Glaustai šnekant, spektroskopiją galima įvardyti kaip medžiagų tyrimo mokslą, kai tiriant šviesą po sąveikos su medžiaga jos savybių pokyčiai yra susiejami su tiriamos medžiagos charakteristikomis“, – apibūdina prof. V. Šablinskas.

Mes kiekvieną akimirką atliekame spektrinius eksperimentus. Žiūrėdami į konkretų žmogų suvokiame, kad, pavyzdžiui, jo akys mėlynos, megztinis raudonas, kelnės juodos. Kalbant moksliniais terminais – mes atliekame spektroskopinį eksperimentą. Apšviečiame objektą (šiuo atveju stebimą žmogų) saulės (arba lemputės) šviesa ir savo „šviesai jautriais jutikliais“ – akimis analizuojame objekto atspindėtą šviesą.

Balta šviesa yra skirtingo ilgio elektromagnetinių bangų suma. Dėl skirtingo šių elektromagnetinių bangų ilgio mes galime matyti skirtingas spalvas. Jeigu šviesos pluoštelį sudaro tik vieno bangos ilgio (t. y. monochromatinė) elektromagnetinė banga, tai mes tokią šviesą suvokiame kaip „spalvotą“. Pavyzdžiui, mėlynos šviesos pluoštelio bangos ilgis yra apie 450 nanometrų (220 kartų mažesnis negu žmogaus vidutinio storio plauko skersmuo), o raudonos šviesos pluoštelio bangos ilgis – 650 nanometrų (150 kartų mažesnis negu plauko skersmuo).

Infraraudonoji šviesa atveria naujas galimybes

Nuo to, kokias charakteristikas norime nustatyti spektroskopijos metodu, priklauso, kokią šviesą turime naudoti. „Anksčiau pateiktame pavyzdyje buvo panaudota regimoji šviesa ir mes nustatėme objektų spalvas. Daug įdomesnė informacija gaunama, kai spektriniame eksperimente yra naudojama ne regimoji, bet infraraudonoji šviesa. Tokiai šviesai žmogaus akis yra nejautri, bet specialiais jutikliais galima ją tirti“, – pasakoja profesorius.

Infraraudonosios šviesos selektyvioji sugertis yra tiesiogiai susijusi su medžiagą sudarančių molekulių chemine struktūra. Prof. V. Šablinsko teigimu, mokslinėje literatūroje infraraudonieji molekulių sugerties spektrai dažnai yra vadinami „molekulių pirštų antspaudais“. Gamtoje neegzistuoja chemiškai skirtingų molekulių, kurių infraraudonosios sugerties spektrai būtų identiški. „Tad užregistravę medžiagos infraraudonosios sugerties spektrą, pasinaudodami spektrų bibliotekomis ir įvairiais kompiuteriniais skaičiavimais mes galime tiksliai nustatyti ne tik medžiagą sudarančių molekulių cheminę formulę, bet ir erdvinę struktūrą. Dar daugiau, infraraudonieji sugerties spektrai yra taip smarkiai detalizuoti, kad net sudėtingų mišinių atveju pavyksta nustatyti, iš kokių skirtingų molekulių sudaryta medžiaga ir kokios yra skirtingų komponentų koncentracijos“, – aiškina mokslininkas.

Infraraudonosios sugerties spektroskopijos metodu gali būti tiriamos bet kokios medžiagos: neorganiniai cheminiai junginiai, organiniai cheminiai junginiai, polimerai bei įvairūs biologiniai junginiai – maistas, vaistai, biologiniai audiniai ir pan. Mokslininko teigimu, bene įdomiausi bandiniai yra biologiniai audiniai. Tokių audinių spektriniuose tyrimuose naudojama šviesa įsismelkia ne tik į tarpląstelinį skystį, bet ir į ląsteles. Taip yra gaunama daug informacijos tiek apie tarpląstelinę terpę, tiek apie ląstelės vidų.

Spektroskopija – vėžio diagnostikai

Šiuo metu medicininiuose tyrimuose bene plačiausiai yra taikoma fluorescencinė spektroskopija, kai tyrinėjama ne selektyvioji šviesos sugertis, o jos antrinis spinduliavimas – fluorescencija. „Intensyvi fluorescencija yra būdinga tik tam tikroms molekulėms, kurių biologiniuose audiniuose yra mažai. Dėl šios priežasties, norint taikyti šį metodą biologiniams audiniams, juos reikia praturtinti specialiais fluorescenciniais žymenimis – chromoforinėmis molekulėmis, įvairiomis nanodalelėmis ir kt.“, – pasakoja profesorius. Tuo tarpu biologinių audinių infraraudonosios sugerties spektrometrijai tokie žymenys nereikalingi, tačiau šios spektrometrijos taikymai medicinoje vis tiek nėra platūs.

Šio taikymo ribotumo priežasčių yra daug: infraraudonosios spinduliuotės įsismelkimo į biologinius audinius gylis yra labai mažas ir siekia tik šimtąsias milimetro dalis, audiniuose esantis vanduo pasižymi labai stipria tokios spinduliuotės sugertimi, pasitelkus standartinę spektroskopinę aparatūrą neįmanoma atlikti tyrimų prieš tai nepašalinus tyrimui skirto audinio bandinio iš organizmo. „Tik per pastaruosius dešimtmečius, išradus jautrius infraraudonosios spinduliuotės jutiklius, šviesolaidžius ir sukūrus greitus spektrometrus, tokie spektriniai tyrimai medicinoje tapo galimi. Tai lėmė, kad į vėžinių audinių diagnostinius spektrinius tyrimus įsitraukė ir Vilniaus universiteto Cheminės fizikos instituto spektroskopininkų mokslinė grupė“, – pasakoja prof. V. Šablinskas.

Pradėti klinikiniai tyrimai

Vilniaus universiteto spektroskopininkų mokslinė grupė atstovauja cheminės fizikos krypčiai, kurioje dominuoja sudėtingų biologinių sistemų spektroskopija. Mokslininko teigimu, sudėtingiausias biologinis objektas yra žmogus, o jo tyrimas neįmanomas be medicinos, tad ir spektroskopiniai tyrimai neįmanomi be medikų pagalbos. Todėl, be spektroskopininkų, tyrėjų komandą sudaro ir daug medikų: Santaros klinikų direktorius prof. F. Jankevičius, Medicinos fakulteto prodekanė prof. V. Hendrikson, urologas doc. A. Želvys, Valstybinio patologijos centro direktorius prof. A. Laurinavičius, taip pat Drezdeno technikos universiteto mokslininkas prof. Geraldas Steineris. „Jis dažnai svečiuojasi mūsų laboratorijoje, atlieka papildomus tyrimus su mūsų bandiniais Drezdeno technikos universitete, praplečia mūsų tiriamų medicininių bandinių klasę ir suteikia stažuotės vietas mūsų doktorantams“, – sako prof. V. Šablinskas.

Šiai jungtinei mokslininkų grupei pavyko spektrinius laboratorinius tyrimus perkelti į klinikinius tyrimus: buvo pradėti spektriniai tyrimai operaciniame bloke chirurginių operacijų metu ir baigti sukurtos naujos spektrinės metodikos patentavimo darbai. Siūlomos spektrinės metodikos esmė – sveikų ir vėžinių nepažeistų biologinio audinio ląstelių spektriniai tyrimai, kuriuos galima atlikti be bandinio biopsavimo.

„Iš tiesų standartiniame spektriniame eksperimente bandinys (šiuo atveju biologinio audinio biopsija ar išpjova) turi būti įkeliamas į prietaiso viduje esanti bandinių skyrių – taip užtikrinamas optimalus bandinio apšvietimas infraraudonąja šviesa ir šviesos po sąveikos su biologiniu bandiniu surinkimas. Mes savo patentinėje paraiškoje pasiūlėme modifikuoti eksperimentą panaudojant šviesolaidinę techniką ir specialius kristalus, kurie padeda surinkti šviesą po sąveikos su biologiniu audiniu, ir tam pasitelkiant pažeistojo visiško vidaus atspindžio reiškinį. Toks techninis sprendimas lėmė tai, kad mes radome naujus iki šiol nenaudotus spektrinius vėžinių ląstelių žymenis – glikogeno infraraudonosios sugerties spektrinių juostų intensyvumus“, – džiaugiasi mokslininkas.

Sukurtas naujas vėžio diagnostikos metodas

Iki šiol buvo žinoma, kad daugumos tipų vėžinės ląstelės yra linkusios savo viduje kaupti polimerizuotą gliukozę – glikogeną. Dėl greito vėžinių ląstelių dauginimosi joms reikia daugiau maisto negu normalioms ląstelėms. „Augliui augant tas poreikis tik didėja, kadangi kraujotakos sistema nespėja taip greitai plėstis ir vėžinės ląstelės pradeda jausti deguonies (kurį turi gauti iš greta esančių kapiliarų) trūkumą. Įsitraukia kiti gliukozės skaidymo mechanizmai, kurie nėra tokie efektyvūs kaip standartinis mechanizmas, vykstantis spartaus deguonies tiekimo sąlygomis. Gamta yra taip sutvarkiusi, kad kai vėžinė ląstelė gauna pakankamai deguonies gliukozei efektyviai skaidyti, ji dalies gliukozės neskaido, bet pradeda ją polimerizuoti ir kaupti „juodai dienai“, kai auglyje dėl nepakankamai išsivysčiusios kapiliarų sistemos ląstelėms pritrūks deguonies ir teks naudoti neefektyvų gliukozės skaidymo mechanizmą be deguonies. Tam reikės daugiau gliukozės molekulių, kurių skaidymo procese yra gaunama ląstelių vegetacijai reikalinga energija“, – apie vėžio išgyvenimo žmogaus organizme mechanizmą pasakoja profesorius.

Minėtasis glikogenas, kaip ir kiti molekuliniai dariniai, turi unikalų infraraudonosios sugerties spektrą, pagal kurį nustatomas ne tik jo buvimas ląstelėje, bet ir koncentracija. „Inkstų vėžiniam audiniui glikogeno infraraudonosios sugerties spektrinių juostų intensyvumai yra patikimi vėžinių ląstelių žymenys. Deja, standartiniame infraraudonosios sugerties spektriniame eksperimente tie žymenys negali būti panaudoti. Mes pateikėme šios problemos sprendimą – šviesai po sąveikos su audinio ląstelėmis surinkti panaudojome vadinamąjį šviesos pažeistojo visiško vidaus atspindžio reiškinį“, – sukurtą metodą pristato prof. V. Šablinskas.

Vilniaus universiteto mokslininkai pirmieji nustatė, kad ši biologinių audinių spektrinių tyrimų metodika yra daug pranašesnė už standartinę, kai spektrai registruojami matuojant per bandinį prasklidusios infraraudonosios šviesos intensyvumą. Profesorius įvardijo jų sukurtos metodikos privalumus: „Naudojant standartinę metodiką iš biologinio audinio jį atšaldžius (sukietinus) turi būti paruošiamas bandinys – 10–15 mikronų storio plėvelė. Kadangi tipinis tokių audinių ląstelių skersmuo yra 5–10 mikronų, tai ruošiant plėveles didelė dalis ląstelių yra mechaniškai pažeidžiamos ir ląstelių viduje kaupiamas glikogenas patenka į ląstelės išorę. Yra žinoma, kad tarpląstelinės terpės rūgštingumas skiriasi nuo ląstelės vidaus rūgštingumo ir dėl to glikogenas suskyla. Naudojant mūsų metodiką ir ruošiant tepinėlį pažeisto vidaus atspindžio tyrimams, ląstelės nėra mechaniškai pažeidžiamos ir glikogeno koncentracija spektrinių tyrimų metu išlieka nepakitusi.“

Naujiems metodams įdiegti reikia laiko

Vilniaus universiteto spektroskopininkų sukurto prototipo naudojimas operacinėje parodė, kad metodas gali būti pritaikomas praktikoje, bet prieš tai reikia išspręsti tam tikras su medicina susijusias problemas. „Spektrinių matavimų metu spektrinio prietaiso šviesolaidinis zondas kelias sekundes turi būti priliestas prie biologinio audinio. Suprantama, kad tam reikalingas bioetikos komiteto leidimas atlikti biomedicininį tyrimą. Kalbant apie zondo fizinį kontaktą su gyvu biologiniu audiniu, reikia įvertinti zondo biotoksiškumą, sterilumą, greitos pakartotinės sterilizacijos galimybę, diagnozės patikimumą ir kt.“, – prof. V. Šablinskas vardija etapus, kuriuos reikia pereiti bandant įdiegti naują diagnostinį metodą medicinoje.

Kad naujas metodas būtų įteisintas, reikia atlikti jo validaciją, kuri susijusi su jo patikimumo ir tikslumo įvertinimu. Validacija atliekama palyginant naujo metodo diagnostinius rezultatus su jau medicinoje taikomo patikimo metodo (vadinamojo „auksinio standarto“) tų pačių bandinių diagnostiniais rezultatais.
Prof. V. Šablinsko teigimu, toks palyginimas nėra lengvai įgyvendinamas: „Vėžinių audinių diagnostikos atveju „auksiniu standartu“ yra laikomas histopatologinis tyrimas. Šio tyrimo metu, norint padidinti kontrastą, biologinis audinys yra paveikiamas cheminėmis medžiagomis ir po to jau yra nebetinkamas spektriniams tyrimams. Tad mes galime atlikti tik skirtingų audinių spektrinį ir histopatologinį tyrimus, o geriausiu atveju naudoti šalia esančius audinio sluoksnius.“

Problemų kyla ir bandant atitikti biotoksiškumo standartus. Mokslininkų sukurtame zonde yra naudojami silicio arba germanio kristalai, plastikas, halogeninės medžiagos, kurios nėra toksiškos, bet jų biologinį suderinamumą prietaiso komercializacijos procese reikėtų moksliškai pagrįsti. Prof. V. Šablinskas pabrėžia, kad su panašiomis problemomis susiduria visi norintieji pritaikyti išradimus medicininėje diagnostikoje.