Současné mikroskopické techniky sice dokážou zviditelnit dříve naprosto netušené detaily, jenže jejich nevýhodou je nutnost upravovat vzorky - například je zmrazit, umístit je do vakua, v podstatě je „zabít“.
Dva unikátní objevy českých vědců však mají ambici tuto nedostatečnost současné mikroskopie překlenout.
Prvním je holografický endoskop Tomáše Čižmára z Ústavu přístrojové techniky AV ČR, který pomocí optického vlákna proniká do nitra mozku a zviditelňuje aktivitu nervových buněk.
Konkrétně do mozku modelového organismu lidské nemoci (většinou se jedná o laboratorní myš).
Vesmír myšího mozku je zobrazen na monitoru počítače celý vesmír do sebe propletených a pospojovaných neuronů.
„Vidíme na něm různé detaily, třeba jak z neuronu směřují výběžky, kterým se říká dendrity.
Na něm jsou trny - struktury, kde si neurony předávají informace pomocí synapsí.“
Upravené světlo se zavádí do tzv. multimodového optického vlákénka širokého zhruba desetinu milimetru.
To proniká do mozku myši, modelového organismu lidské nemoci.
O přenos do praxe se stará spin-off s názvem DeepEn, který český vědec spolu s kolegy založil v Německu.
Přístroj nyní prezentují na neurovědeckých konferencích, pořádají workshopy a vysvětlují, jak se používá.
Další metou je přizpůsobit zařízení tak, aby se zkoumané myši mohly volně pohybovat.
Nyní totiž endoskop spolehlivě funguje, když má myška k hlavě připevněný držák se sondou a běhá pouze na podložce pod držákem.
Přitom vlákno díky své plasticitě a ohebnosti teoreticky umožňuje, aby mozkovou činnost zvířete monitorovalo v jeho přirozeném prostředí.
Jenže to zatím nejde.
A co použít holografický endoskop přímo v lidského mozku?
Podívat se v reálném čase na mozek pacientky, jakou byla Auguste Deterová z úvodu článku, by bylo jistě lákavé.
A technicky by to šlo.
Ale brání tomu různé překážky.
V lidském těle například není snadné použít fluorescenční značení (které znamená zásah do živého organismu).
„Benefit pro člověka je ale jasný. Ochočené světlo? Světlo má unikátní fyzikální vlastnosti a čím více jej poznáváme, tím lépe jej umíme využít.
Světlem jsme se naučili manipulovat s miniaturními předměty, a dokonce je třídit, přenášíme jím informace, světlem spoutaným v laserech měníme strukturu materiálů, světlem obrábíme i řežeme.
„Máme ještě spoustu mezer.
Světlo jsme si ochočili jen do určité míry.
Velkou výzvou například stále zůstává, jak jej efektivně tvarovat v prostoru i čase.
Spoutat světlo a využít jeho vlastnosti například právě pro medicínský výzkum se snaží mnoho vědců a vědkyň.
Z trochu jiného úhlu pohledu k němu přistupuje Barbora Špačková z Fyzikálního ústavu AV ČR.
Inženýrka Barbora Špačková vystudovala fyzikální inženýrství na ČVUT a jako doktorandka a postdoktorandka působila v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR a ve Švédsku na Chalmersově technické univerzitě.
Je spoluzakladatelkou spin-off švédské společnosti Envue Technologies, která se zaměřuje na komercionalizaci nanofluidní rozptylové mikroskopie.
Vede Dioscuri centrum jednomolekulární optiky, jež vzniklo z iniciativy německé Společnosti Maxe Plancka.
Díky štědré podpoře bude možné kandidáty adekvátně zaplatit, což v české vědě nebývá úplně samozřejmé.
Proletět se nanovesmírem, „nanoskopičtí průzkumníci objevující základní stavební kameny života“, popisuje Barbara Špačková.
Nezůstane však jen u kochání se krásami skrytých zákoutí nanosvěta.
Auguste Deterové už současné výzkumy mozku nepomůžou, je po smrti více než stovku let.
Počet lidí s podobným osudem ale neustále vzrůstá.
Jestli se vědkyním a vědcům podaří tento děsivý odhad zvrátit, je ve hvězdách.
Vedle mikroskopů světelných existují rentgenové, elektronové, mikroskopy atomárních sil a mnoho dalších.
Současné mikroskopické techniky sice dokážou zviditelnit dříve naprosto netušené detaily, jenže jejich nevýhodou je nutnost upravovat vzorky.
V rozvoji nanofluidní mikroskopie vidíme, že se zviditelní biomolekuly v jejich přirozeném vodném prostředí.
Nanofluidní zařízení můžeme připodobnit k miniaturnímu potrubí, kterým proudí tekutina.
Pro zviditelnění pozorované biomolekuly v „trubce“ vědkyně využila princip interference světla.
Při ní se světelné vlny vzájemně ovlivňují, což posiluje jejich účinek.
Aparatura nanofluidního mikroskopu se velikostně podobá holografickému endoskopu Tomáše Čižmára.
Vzorek zkoumané tekutiny se aplikuje na nanofluidní čip o rozměrech přibližně centimetr na centimetr.
Jde o čtvercovou destičku, která obsahuje sérii větších mikroskopických kanálů, kterými se kapka tekutiny dostává do menších nanofluidních kanálů.
V ní dochází k interakci světla s molekulou, jeho rozptylu a interferenci.
Pro laiky by to mohl být jen flek, ale biofyzikové a biochemici bývají z tohoto záznamu nadšeni.
A tak se slibně rozbíhají první spolupráce s laboratořemi vědeckých institucí i farmaceutických firem.
Za účelem transferu objevu do praxe vznikla ve Švédsku spin-off společnost Envue Technologies.
V rozvoji mikroskopu už vědkyně pokračuje v České republice, kam se i s rodinou vrátila v roce 2022.
Zázemí našla ve Fyzikálním ústavu AV ČR, kde od 1. července 2024 vede Dioscuri centrum jednomolekulární optiky iniciované a podporované německou Společností Maxe Plancka.
Na novém pracovišti najde uplatnění šest vědců nebo vědkyň, do výběrového řízení se zatím hlásí zejména doktorští studenti ze zahraničí.
Díky štědré podpoře bude možné kandidáty adekvátně zaplatit, což v české vědě nebývá úplně samozřejmé.
„Proletíme se nanovesmírem“ - prohlubování poznání o nanosvětě se dnes stává i kritikou tradičních metod zobrazení mozku.
Výzkum ukazuje, že optika a AI jdou ruku v ruce, aby odhalily struktury a mikroprostředí v bílé hmotě mozku, které hrají klíčovou roli v šíření nádorů i komunikaci neuronů.
V EMBL Heidelberg spolupracují týmy na odlišení signálů krevních cév od signálů myelinizovaných vláken a objasnění mikroprostředí nádorových buněk.
Vedle toho se výzkumníci snaží integrovat AI do zobrazovacích postupů, aby kontrast a identifikace struktur byly jasnější.
Na tomto poli se ukazuje důležitost interdisciplinarity mezi fotonikou, neurovědou a umělou inteligencí.
Počínaje endoskopem a konče nanofluidní mikroskopií, tyto technologie posouvají schopnost sledovat mozkové struktury v hlubokých částech a v reálném čase.
Čím více se světlo a informace spojí s biologickým kontextem, tím lépe lze identifikovat a analyzovat patologické procesy ve skutečném prostředí.
Až se zlepší techniky pro zobrazování v lidském mozku a vyřeší etické i bezpečnostní otázky, mohou tyto metody přinést průlom v diagnostice a terapii.
Klíčové souvislosti mezi tématy
Holografický endoskop umožňuje průnik do mozku a zobrazení neuronální aktivity bez nutnosti rozsáhlé operace.
Nanofluidní mikroskopie představuje způsob, jak zachytit biomolekuly ve vodném prostředí, aniž by se molekula výrazně ovlivnila značkami.
Umělá inteligence při zpracování obrazů zvyšuje rozlišení a umožňuje odlišit struktury v bílé hmotě a v mikroprostředí nádorů.
Interdisciplinární spolupráce mezi fyzikou, biologií a lékařstvím je klíčovým faktorem pro posun technologií z laborka do klinické praxe.
| Přínos | Technologie | Objekt zobrazení |
|---|---|---|
| hluboké zobrazování | holografický endoskop | mozkové neurony v myši |
| biomolekuly v přirozeném prostředí | nanofluidní mikroskopie | DNA, biomolekuly |
| lepší interpretace obrazů | AI zpracování | bíla hmota, cévy, glioblastomy |
Větší pochopení mozku a jeho poruch, jako je demence nebo mírná kognitivní porucha, vyžaduje kombinaci fyzikálních metod, klinických postupů a preventivních životních návyků.
Podle studií BMJ z Číny je možné riziko demence snižovat zdravým životním stylem a aktivitou mozku, včetně pravidelného cvičení, sociálního kontaktu a duševních výzev.
V běžné praxi se zaměřuje na kognitivní trénink, který zlepšuje specifické poznávací funkce a může být součástí terapie spolu s medicínou a podporou rodiny.
Krásné 3D skeny mozku ukazují každou synapsi | National Geographic
tags: #zkouska #mikroskopu #pri #poruse #mozecku