Slovenka v ekipi Nobelovca preučuje uporabo ultrakratkih svetlobnih pulzov v medicini

Mihaela Žigman se je ekipi Nobelovega nagrajenca Krausza kot prvi nefizik pridružila leta 2015. Danes je vodja raziskav za uporabo atosekundnih-femtosekundnih metrologij zlasti za zgodnejše diagnosticiranje raka.

Kot je za STA pojasnila Žigman, se atosekundna fizika nanaša na področje fizike, ki se ukvarja z ekstremno kratkimi časovnimi intervali na ravni atosekund. Atosekunda je po besedah Žigman tako kratka, da jih je v eni sekundi toliko, kolikor je bilo vseh sekund od nastanka vesolja (0,0000000000000000001 sekunde). Tisočkrat daljša od attosekunde je femtosekunda, ki pa je še vedno izredno kratka, je dejala. Ravno zato sta enoti, ki omogočata opazovanje in proučevanje izjemno hitrih procesov - gibanje elektronov - v svetu atomov in molekul.

Po besedah slovenske znanstvenice je torej glavni cilj fizikov na Inštitutu Maxa Plancka za kvantno optiko v Garchingu pri Münchnu in Univerzi Ludwiga Maximilliana v Münchnu, kjer raziskave na tem področju vodi Krausz, z lasersko tehnologijo ultrakratkih svetlobnih pulzov na nivoju ato-femto sekund natančneje raziskati naravo oz. sestavo naših molekul in atomov.

"Nadzor nad svetlobo v tako kratkih časovnih pulzih si lahko predstavljamo podobno kot fotografiranje. Krajši kot je čas odprte zaslonke, več slik nekega dinamičnega dogodka lahko zajamemo, kar omogoča tudi natančnejši opis dogodka," je razložila. Podobno po njenih besedah omogoča tehnologija, ki jo razvijajo njeni kolegi, pri čemer so predmet njihovih poskusov molekule in atomi. Čim krajši so v tem primeru pulzi svetlobe, z večjo natančnostjo lahko opazujejo njihovo sestavo in kaj se dogaja v njih, je ob tem dodala.

Z atosekundno fiziko do hitrejšega diagnosticiranja raka

Če se fiziki ukvarjajo z razvijanjem omenjene tehnologije, pa Žigman kot molekularna biologinja vodi interdisciplinarno ekipo in skupaj z biotehnologi, znanstveniki s področja kemije, fizike in računalniških ved poskuša učinke tehnologije aplicirati v praktične, predvsem medicinske namene. V okviru klinične študije Lasers4Life je vodja raziskav, v katerih s pomočjo novo razvite laserske tehnologije z ultrakratkimi pulzi preučujejo vzorce človeške krvi, kar jim omogoča odkrivanje nenormalnih stanj v telesu, na primer različnih tumorskih tvorb, obenem pa tudi boljše razumevanje človeškega zdravja.

"Če namreč lahko zelo natančno raziščemo, kaj vse je v naši krvi na molekularnem nivoju - kar pravzaprav želimo doseči s to tehnologijo - lahko tudi prepoznamo, kdaj se v našem telesu dogaja nekaj nenormalnega, kot so rakava obolenja," je dejala. S tako imenovano infrardečo molekularno analizo krvi s pomočjo umetne inteligence poučujejo računalniške algoritme, da ločujejo med vzorci zdravih oseb in vzorci, ki kažejo na obolelo stanje. Metoda pa jim po njenih besedah ne omogoča zgolj znanja o tem, ali je oseba zdrava ali ne, temveč tudi določitev, za katero bolezen je zbolela.

Skupaj s sodelavci si tako prizadeva predvsem vzpostaviti nove poti za učinkovitejšo in hitrejšo diagnostiko raka. Z raziskavami na večjem vzorcu ljudi so na primer že pridobili uspešne razlikovalne rezultate med vzorci ljudi, ki imajo pljučnega raka, in tistimi, ki imajo druge bolezni pljuč. To novo tehnologijo pa nameravajo še naprej razvijati, da bi jo nekoč lahko uporabljali v klinični praksi kot vrsto presejalnega testa za diagnosticiranje še drugih najpogostejših vrst raka, kot so rak dojk, prostate in mehurja, morda tudi jajčnikov.

Kot je poudarila Žigman, je prednost predvsem v tem, da gre za človeku prijazno in obenem hitro metodo, za katero je potrebna le kapljica krvi. "Krvne preiskave so danes še vedno dokaj obsežne, trajajo dlje časa, velikokrat pa analizirajo le malo število molekul v vzorcu. Z našim novim pristopom bi lahko veliko hitreje in že med preprostimi zdravniškimi pregledi identificirali, ali oseba ima neko bolezen ali ne. S tem pa bi nenazadnje diagnostika postala tudi veliko bolj učinkovita in dostopnejša," je pojasnila.

Do aplikacije v medicinske namene potrebno še nekaj časa

Kljub obetavnim rezultatom, ki jih raziskovalna ekipa odkriva s pomočjo laserske tehnologije ultrakratkih pulzov, pa je zadeva še v fazi razvoja. Predenj bo prišlo do dejanske aplikacije v medicinske namene bo po mnenju Žigman potrebnih še kar nekaj študij. Kot je ocenila, pa bi v najboljšem primeru do aplikacije prišlo čez pet do deset let.

Poleg tega se pri raziskavah soočajo tudi z nekaterimi predvsem organizacijskimi izzivi. Ker namreč delujejo na oddelku za fiziko, v raziskovalno skupino po njenih besedah težje privabijo nove raziskovalce, ki bi želeli sodelovati v raziskavah, osredotočenih na aplikacije v medicinske namene. Za eksperimentalne raziskave pa je izziv tudi najti predvsem ustrezen vzorec oseb, ki sicer nimajo rakavega obolenja, so pa zelo podobne fiziologije, torej istega spola in starosti ter podobnega genetskega ozadja kot oseba z rakavim obolenjem. "Za ustrezno vzorčno primerjavo namreč potrebujemo tako zdravo kot bolno osebo pa tudi njihove medicinske podatke, da sploh lahko s pomočjo umetne inteligence identificiramo podobnosti in razlike vzorcev," je povedala.

Spodbuda mladim raziskovalcem v Sloveniji

Žigman si kljub temu želi, da bi tehnologija, ki jo razvijajo, čim prej prišla v širšo uporabo, saj bi lahko predstavljala velik korak naprej k izboljšanju zdravljenja tako rakavih kot tudi drugih bolezenskih stanj. Morda celo preboj v medicinski diagnostiki. V veselje pa bi ji bilo, da bi se njeni mednarodno pestri raziskovalni ekipi pridružil tudi še kakšen mlad slovenski raziskovalec. "Vedno znova, ko imam nove razpise in iščem nove sodelavce, pošljem razpis tudi na Univerzo v Ljubljani, toda do sedaj še nisem dobila močnih prijav," je dejala. Njeno sporočilo mladim slovenskim raziskovalcem je zato: "Bodite drzni, upajte si poskusiti različne stvari. Šele ko namreč preizkušaš različne poti, lahko spoznaš, katera je prava."

Mihaela Žigman je svojo akademsko pot začela na Biotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani in doktorirala na Univerzi na Dunaju. Po uspešnem podoktorskem raziskovalnem delu na Inštitutu za molekularno biotehnologijo Avstrijske akademije znanosti (IMBA) se je pridružila laboratoriju dr. Cecilie B. Moens kot podoktorska sodelavka Medicinskega inštituta Howard Hughes (HHMI) na Inštitutu za raziskave rakavih obolenj Freda Hutchinsona (FHCRC) v Seattlu. Že od leta 2015 pa svojo strast do raziskav utrjuje na Inštitutu Maxa Plancka za kvantno optiko v Garchingu pri Münchnu in na Univerzi Ludvika Maksimilijana v Münchnu.