Na UW powstaje urządzenie do wykrywania nowotworów na podstawie analizy wydychanego powietrza

Opracowywana aparatura, która w krótkim czasie analizuje wydychane przez człowieka powietrze, może znacząco zwiększyć szanse na przeżycie dziesiątek tysięcy pacjentów, tyle bowiem rocznie umiera na nowotwory złośliwe z powodu zbyt późno postawionej diagnozy. Warunkiem powodzenia projektu jest jednak finansowanie, o które teraz zabiegają naukowcy.

Zespół prof. dr. hab. Tadeusza Stacewicza z Zakładu Optyki w Instytucie Fizyki Doświadczalnej WF UW od wielu lat prowadzi badania polegające na wykorzystaniu laserów do wykrywania biomarkerów (biologiczne wskaźniki stanów chorobowych) w wydychanym powietrzu. Udało się opracować skuteczne metody i urządzenia do detekcji m.in. amoniaku, którego obecność wskazuje na występowanie bakterii Helicobacter pylori, tlenku węgla – przy chorobach płuc, czy metanu – w problemach jelitowych.

W 2017 r. rozpoczął się najnowszy projekt badawczy, który skupia się na identyfikowaniu formaldehydu, etanu i innych lotnych związków organicznych, których nadmierna obecność w wydychanym powietrzu skojarzona jest z nowotworami, przede wszystkim płuc i piersi. Formalne zakończenie projektu planowane jest na połowę 2021 r., jednak pierwsze wyniki pojawią się o wiele wcześniej.

– Bezinwazyjne, proste, skuteczne a zarazem tanie urządzenie do badań przesiewowych mogłoby odwrócić niekorzystne trendy związane z zachorowalnością na nowotwory złośliwe. Dlatego od kilku lat intensyfikowane są prace w kierunku wykorzystania spektroskopii laserowej i innych technik do wykrywania biomarkerów poważnych chorób (w tym raka) w powietrzu wydychanym przez człowieka. Nasze urządzenie pozwoliłoby na detekcję formaldehydu w ciągu kilku minut. Zarazem jego koszt nie powinien przekroczyć kosztu zakupu fotela dentystycznego. Dlatego mogłoby ono stanąć w gabinecie internisty i służyć do prowadzenia badań przesiewowych na masową skalę  – mówi prof. dr hab. Tadeusz Stacewicz.

Prace badawcze nad wykrywaniem formaldehydu i etanu, podobnie jak wcześniejsze prace badawcze w obszarze oznaczania biomarkerów w wydychanym powietrzu, są prowadzone przez zespół prof. dr hab. Tadeusza Stacewicza we współpracy z naukowcami z Zespołu Detekcji Sygnałów Optycznych w Instytucie Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej. Na WAT opracowano m.in. układ pobierania próbek, który spełnia standardy medyczne.

Metoda uniwersalna, różne urządzenia

Zestaw laboratoryjny opracowany przez zespół prof. dr hab. Tadeusza Stacewicza umożliwi prowadzenie wstępnych prac badawczych. Jednak do dalszych zaawansowanych testów potrzebne są dodatkowe środki finansowe na poziomie ok. 10 mln zł. Pozwolą one na zbudowanie prototypów urządzenia oraz przeprowadzenie szczegółowych badań przydatności aparatu w zastosowaniach medycznych. Badania zaplanowane w ramach dotychczasowego projektu wciąż mają ograniczony zakres.

Trudności ze znalezieniem finansowania projektu sprawiły, że narodził się pomysł stworzenia spółki typu spin-off, która ułatwiłaby naukowcom pozyskiwanie środków na prowadzenie badań a także powiększenie zespołu o inżynierów, specjalistów od marketingu i pracowników administracyjnych. Działania te wspiera Uniwersytecki Ośrodek Transferu Technologii UW.

– Skuteczny detektor formaldehydu miałby zastosowanie nie tylko w medycynie. Potencjalnym obszarem zastosowań jest także przemysł i ochrona środowiska. Formaldehyd wykorzystuje się m.in. przy produkcji mebli a że jest to środek szkodliwy dla zdrowia, Unia Europejska zapowiedziała wprowadzenie norm dla tego związku. Jeśli do tego dojdzie, potrzebne będą mierniki, które zapewnią powtarzalne wyniki i wystarczającą czułość, której nie zapewniają proste mierniki elektroniczne dostępne w handlu – mówi dr Robert Dwiliński, dyrektor UOTT UW.

Laser: szybszy, tańszy i równie skuteczny

Postęp techniczny w ostatnich latach sprawił, że powstają szybkie i precyzyjne metody analityczne, które mają zastosowania w medycynie. Dużym zainteresowaniem cieszą się zwłaszcza tzw. metody nieinwazyjne, czyli pozwalające wykrywać biomarkery w ślinie czy właśnie w wydychanym powietrzu. W badaniu powietrza wydychanego przez człowieka tkwi ogromny potencjał – substancje wytwarzane w procesach biochemicznych przedostają się do krwi, a następnie przez płuca trafiają do wydychanego powietrza.

Dzięki badaniom nad składem powietrza wydychanego przez osoby chore i porównywaniu go z oddechem ludzi zdrowych, udało się ustalić, że obecność lub zmiany stężeń pewnych substancji można kojarzyć z konkretnymi chorobami. Początkowo wykorzystywana była do tego technika chromatografii gazowej. Pozwala ona oznaczać w wydychanym powietrzu nawet śladowe ilości wielu substancji, które są wytwarzane w procesach metabolicznych. Część z nich może być uznana za biomarkery. Wadą chromatografii gazowej jest jednak stosunkowo długi czas oczekiwania na wyniki. Dodatkowo, metoda ta nie sprawdza się w przypadku formaldehydu. Dlatego rozpoczęły się poszukiwania innych metod – jedną z nich jest spektrometria laserowa.

– Dotychczas wykrywanie formaldehydu było możliwe przy pomocy chromatografii gazowej. Nie jest to jednak optymalny sposób detekcji tego lotnego związku organicznego. Wyniki nie zawsze są jednoznaczne. Poza tym, chociaż chromatografia gazowa jako metoda charakteryzuje się wysoką czułością, to trudno byłoby wykorzystać ją do badań przesiewowych. Pojedyncze badanie trwa około półtorej godziny i wiąże się z wyższymi kosztami, ponieważ potrzebna jest droga aparatura oraz wykształcony laborant. Nasza propozycja będzie wielokrotnie szybsza i tańsza, możliwa do użycia praktycznie w każdym gabinecie lekarskim – mówi mgr inż. Mateusz Winkowski, doktorant w Zakładzie Optyki w Instytucie Fizyki Doświadczalnej UW, członek zespołu prof. dr hab. Tadeusza Stacewicza.

Uruchomienie projektu skoncentrowanego na wykrywaniu formaldehydu przy pomocy laserów było możliwe dzięki postępowi w optoelektronice. Na rynku pojawiły się lasery na konkretną długość fali, dopasowane do widm wymienionych powyżej związków, w szczególności małe lasery półprzewodnikowe, zasilane w nieskomplikowany sposób. Istotną rolę odegrały także najlepsze na świecie fotodetektory w zakresie bliskiej i średniej podczerwieni, produkowane w Polsce przez firmę VIGO. To wszystko sprawiło, że możliwe stało się zbudowanie względnie taniego i prostego czujnika do wykrywania biomarkerów (m.in. formaldehydu) przy pomocy lasera.

Od pacjenta pobiera się próbkę wydychanego powietrza. Urządzenie dokonuje pomiaru bazując na osłabieniu natężenia światła o określonej długości fali. Ultraczułe metody pomiarowe wykorzystujące lasery pozwalają na wykrycie lotnych związków organicznych oraz ich stężenia. Opracowane rozwiązanie skraca czas badania do kilku minut i obniża koszty badania w porównaniu do chromatografii gazowej. Badanie pacjenta jest oczywiście bezbolesne i bezinwazyjne.

Walka z rakiem: liczy się wczesne wykrycie

Badania przesiewowe to prowadzone na masową skalę testy, które pozwalają skutecznie identyfikować pacjentów chorych lub znajdujących się w grupie tzw. ryzyka. Mają ogromne znaczenie zwłaszcza w przypadku osób niechętnie zgłaszających się do lekarza lub trafiających na leczenie zbyt późno, gdy stadium choroby jest zaawansowane. Jak podaje Krajowy Rejestr Nowotworów zachorowalność na raka w Polsce w ciągu ostatnich 30 lat wzrosła ponad dwukrotnie. Nowotwory złośliwe stanowią drugą przyczynę zgonów w kraju. Rocznie zabijają ponad 100 tys. osób. Rak płuc i rak piersi to najczęściej występujące nowotwory odpowiednio u mężczyzn i kobiet.