#družba znanost 12.8.2016 11:56

Mladi znanstvenik IJS z vizionarskim projektom do vodilnega laboratorija biointegrirane fotonike

Ljubljana, 12. avgusta - Raziskovalec odseka za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan (IJS) Matjaž Humar je za projekt Live and Edible Photonics v juniju prejel nagrado direktorjevega sklada IJS, ki jo institut letos podeljuje prvič. Cilj projekta je postavitev laboratorija na IJS, ki bo svetovno vodilni na področju biointegrirane fotonike, je za STA povedal Humar.

Ljubljana, IJS.
Intervju z raziskovalcem na odseku za fiziko trdne snovi na IJS Matjažem Humarjem.
Foto: Nebojša Tejić/STA

Ljubljana, IJS.
Intervju z raziskovalcem na odseku za fiziko trdne snovi na IJS Matjažem Humarjem.
Foto: Nebojša Tejić/STA

Ljubljana, IJS.
Intervju z raziskovalcem na odseku za fiziko trdne snovi na IJS Matjažem Humarjem.
Foto: Nebojša Tejić/STA

Ljubljana, IJS.
Intervju z raziskovalcem na odseku za fiziko trdne snovi na IJS Matjažem Humarjem.
Foto: Nebojša Tejić/STA

Ljubljana, IJS.
Intervju z raziskovalcem na odseku za fiziko trdne snovi na IJS Matjažem Humarjem.
Foto: Nebojša Tejić/STA

Ljubljana, IJS.
Intervju z raziskovalcem na odseku za fiziko trdne snovi na IJS Matjažem Humarjem.
Foto: Nebojša Tejić/STA

Ljubljana, IJS.
Intervju z raziskovalcem na odseku za fiziko trdne snovi na IJS Matjažem Humarjem.
Foto: Nebojša Tejić/STA

Ljubljana, IJS.
Intervju z raziskovalcem na odseku za fiziko trdne snovi na IJS Matjažem Humarjem.
Foto: Nebojša Tejić/STA

Mladi znanstvenik je za vizionarski projekt Live and Edible Photonics prejel investicijo v višini 311.202 evra za obdobje treh let. Njegov cilj je ustvariti zelo močno skupino v svetovnem merilu, s katero se bodo ukvarjali z biointegrirano fotoniko, je povedal Humar.

Kot je pojasnil, gre za novo področje, s katerim se ukvarja malo ljudi, zato odpira ogromno možnosti. Želi si, da bi laboratorij postal eden izmed vodilnih v svetu na tem področju.

Po besedah Humarja bo laboratorij šel korak dlje od biofotonike, ki tradicionalno uporablja umetne vire svetlobe in optične komponente, narejene iz nebiokompatibilnih snovi za proučevanje živih organizmov. Razvili bodo fotonske komponente, kot so na primer laserji, ki bodo v celoti sestavljeni iz biokompatibilnih in živih snovi, ki jih bo mogoče zaužiti ali vgraditi v človeško telo, je dejal.

Biorazgradljivi fotonski senzorji bodo uporabljeni tudi v kombinaciji z optično koherenčno tomografijo (OCT) in bodo omogočali senzoriko globlje v telesu in z večjo resolucijo kot doslej.

Po zaslugi Humarja laserji odslej tudi v človeškem telesu

Lansko leto je Humarju skupaj s kolegom s harvardske medicinske fakultete v ZDA v človeško celico prvič uspelo vgraditi laser. Hkrati sta pokazala, da maščobne celice v človeškem telesu že same po sebi vsebujejo laserje, ki jih je treba le aktivirati. Metoda, s katero je mogoče laserje ustvariti znotraj celic, je takoj ob objavi doživela izjemen odziv po vsem svetu.

Tako v primeru vgraditve laserja v človeško celico kot prisotnosti laserja v maščobnih celicah, je laser v obliki mikroskopske fluorescentne kroglice ali kapljice, ki je 10-krat manjša od debeline človeškega lasu. Kroglica oz. kapljica deluje kot laserski resonator, ki omejuje svetlobo v zelo majhen prostor ter zagotavlja enobarvnost laserske svetlobe. Znotraj kapljice je tudi fluorescentno barvilo, ki ojača svetlobo, laser pa je treba vzbujati z zunanjim virom svetlobe, je pojasnil Humar.

"Laserji niso takšni, kot si jih običajno predstavljamo - da je zelo ozek snop svetlobe usmerjen v eno smer. Tukaj svetloba izhaja v vse smeri. To je še boljše, saj lahko, ne glede na to, kako je celica obrnjena, izmerimo svetlobo, ki izhaja iz laserja."

Velik potencial za diagnostiko in zdravljenje

Kot je pojasnil Humar, dosežek prinaša veliko možnih aplikacij, predvsem na področju medicinske diagnostike ter za zdravljenje različnih bolezni.

Tovrstne laserske celice so lahko uporabne kot senzorji v človeškem telesu, s katerimi lahko natančno preučujejo procese znotraj celic. Služijo pa lahko tudi kot črtne kode za označevanje celic, kar je pomembno za natančno spremljanje njihovega premikanja po telesu. Na ta način bi lahko denimo natančno spremljali proces širjenja rakavih celic.

Poleg tega so mikrolaserji uporabni tudi za zdravljenje z zdravili, ki se aktivirajo s pomočjo svetlobe. Z njimi lahko zelo natančno ciljajo majhen del tkiva ali celo posamezno celico, kjer bo zdravilo delovalo ter tako zmanjšajo stranske učinke v drugih delih telesa.

Svoj prelomni dosežek je Humar konec junija predstavil na letošnjem 66. prestižnem srečanju Nobelovih nagrajencev v mestu Lindau v Nemčiji ter prejel nagrado za najboljši plakat. Letošnjega srečanja se je udeležilo okoli 400 posebej izbranih in povabljenih mladih znanstvenikov iz 80 držav ter 29 Nobelovih nagrajencev.

Tatuji, ki merijo glukozo ali temperaturo

Humar trenutno z raziskovalci dela na projektu, v okviru katerega bi radi izdelali laserske tatuje. Pri tem bodo namesto barvila v kožo vstavili mikrolaserje, ki bodo služili kot senzorji. Ena od zanimivih aplikacij bi bila uporaba tatujev za diabetične bolnike, je pojasnil Humar. "Na koži imamo tatu, z napravico pa lahko skozi kožo preko laserjev na podlagi svetlobe izmerimo glukozo v telesu."

Izdelali so tudi laserje iz holesterolov, ki lahko delujejo kot temperaturni senzorji. "Če bi naredili tatu na koži, bi tatu spreminjal barvo glede na temperaturo. Vročino bi si tako lahko izmerili kar s pogledom na tatu," je dejal.

Od biorazgradljivih do bioluminiscentnih laserjev

Humarjev naslednji cilj je narediti laserje, ki so v celoti narejeni iz živih celic in materialov iz živih organizmov, ki so biokompatibilni ter se razgradijo v človeškem telesu.

Poleg tega želi pri izdelavi mikrolaserjev uporabiti pojav bioluminiscence. Gre za oddajanje svetlobe pri živih bitjih, ki nastane kot kemična reakcija, v kateri se kemična energije pretvori v svetlobno. Tipičen primer bioluminiscence so denimo kresničke.

Kot je pojasnil Humar, so skupaj z raziskovalci kemično reakcijo, ki povzroča ta pojav, uporabili za izdelavo laserjev, ki samostojno oddajajo svetlobo. To pa pomeni, da ne potrebujejo več zunanjega vira svetlobe.

Razvija tudi druge optične komponente

Poleg laserjev je Humar razvijal tudi druge optične komponente, ki se lahko vgradijo v človeško telo. Ena od teh komponent so biorazgradljivi optični valovodi, ki so uporabni za medicinske laserske posege in diagnostiko globoko v telesu.

V medicini so namreč običajno v uporabi katetri, ki so narejeni iz kovin in drugih materialov, zato jih v človeškem telesu ne morejo pustiti dlje časa in so torej primerni le za kratkoročno diagnostiko, je povedal Humar. "Valovode, ki smo jih izdelali, lahko v telesu pustimo dlje časa ter tako s pomočjo svetlobe procese v telesu spremljamo skozi daljše časovno obdobje, kar doslej ni bilo mogoče."

Humar je študiral na Fakulteti za matematiko in fiziko v Ljubljani, na Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Stefana pa je leta 2012 doktoriral iz fizike. Pred kratkim vrnil iz podoktorskega usposabljanja preko evropskega projekta Marie Curie na medicinski fakulteti Univerze Harvard. Je gostujoči raziskovalec v ZDA (tudi na Univerzi Harvard) in nosilec dveh Marie-Curie projektov.