Polacy stworzyli innowacyjne urządzenie do wykrywania nowotworów

Rak płuc i piersi to najczęściej występujące nowotwory odpowiednio u mężczyzn i kobiet. Dla skutecznej terapii najważniejsze jest wczesne wykrywanie tych chorób. A gdyby tak w ciągu kilku minut z pomocą łatwego w użyciu aparatu można było sprawdzić, czy u pacjenta występuje stan chorobowy i podjąć decyzję o koniecznej dalszej diagnostyce? Właśnie takie urządzenie konstruowane jest w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

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 - powiedział 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.

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.

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.

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.