Světová zdravotnická organizace už před několika lety zařadila antibiotickou rezistenci mezi desítku nejzávažnějších medicínských hrozeb pro lidstvo. Jen v Evropě na infekce způsobené bakteriemi odolnými vůči lékům umírají desítky tisíc lidí. Antibiotická rezistence vede každoročně k vícenákladům na zdravotní péči a ztrátě produktivity ve výši desítek miliard korun. I těmito daty lze uvést do širšího kontextu projekt, jímž se zabývá Katarína Rebrošová z Mikrobiologického ústavu Lékařské fakulty MU a Fakultní nemocnice u sv. Anny v Brně, podpořený Interní grantovou agenturou LF MU v rámci nového schématu LF Accelerate. Ve spolupráci s Ústavem přístrojové techniky AV ČR vyvíjí zařízení, které by v kombinaci s komerčně dostupnými Ramanovými spektroskopy dokázalo identifikovat mikroby z lidských tělních tekutin a určit jejich antimikrobiální rezistenci. Snadno, rychle, ekologicky i ekonomicky úsporně. Staví přitom na technologii, kterou si její tvůrce vysnil ze Star Treku. Snad tedy ani přístroj usměvavé mikrobioložky nezůstane nedosažitelným sci-fi a za pár let bude přímo v ordinacích praktických lékařů coby nástroj včasné a přesné diagnostiky pomáhat předcházet tomu, o čem někteří odborníci hovoří jako o příští závažné pandemii.
Cílem vašeho projektu je vyvinout přístroj využívající Ramanovu spektroskopii k detekci mikrobů z lidských tělních tekutin. Jak se tato detekce provádí v současnosti?
Nejčastější způsob je prostřednictvím kultivace na kultivačních médiích a následná identifikace nejrůznějšími biochemickými metodami nebo hmotnostní spektrometrií. Tyto metody jsou ale zdlouhavější, zvlášť, je-li nález negativní. Občas se využívají molekulární metody, ale to už záleží na typu vzorku a také na tom, co přesně chceme zjistit
Na jakém principu oproti tomu funguje Ramanova spektroskopie?
Zjednodušeně řečeno využívá laseru, kterým se osvítí vzorek a který dokáže zrcadlit přítomnost chemických vazeb, jež se v něm nacházejí, a takto podá informaci o chemickém složení daného vzorku. Jde o to, že část toho laserového záření projde skrz, jiná část je absorbována a další zase elasticky odražena. Malinká část fotonů je však odražena též neelasticky, což znamená, že odevzdají část své energie molekulám ve vzorku – nebo ji od nich naopak získají – a na základě těchto energetických posunů jsme schopni provést analýzu složení.
Ramanovy spektroskopy používají například i policisté a hasiči, k identifikaci narkotik, výbušnin nebo jiných nebezpečných materiálů, přičemž jde o ruční zařízení v hodnotě řádu desítek tisíc korun. V čem se odlišují ty vědecké?
Ty naše jsou o něco větší. Medicínský výzkum je poměrně rozsáhlý, zkoumají se možnosti jejich využití například při detekci různých typů rakoviny nebo obecně biochemických indikátorů při nejrůznějších onemocněních. Potenciál jejich využití je široký a jednou z možností je právě i detekce mikrobů, kterou se zabývám já. Těch skupin, které se jím zabývají, je sice víc, ale každá zkoumá nějakou úzkou specifickou aplikaci. Náš výzkum týkající se Ramanovy spektroskopie staví na soustavě knihoven – v podstatě databázi mikroorganismů –, na jejímž základě bychom byli schopni provádět jejich identifikaci. V tomto je ve srovnání s ostatními náš výzkum mnohem širší.
Ve svém projektu uvádíte, že „nedávné studie naznačují, že kombinace Ramanovy spektroskopie a optických pinzet má potenciál detekovat mikroby přímo z tělních tekutin“. Chápu to správně, že tento potenciál budete muset teprve potvrdit?
V podstatě ano… My můžeme zjistit, zda se v těch tekutinách něco nachází, ale zda budeme moct přesně identifikovat, o jakou jde bakterii, vůči jakým antibiotikům je rezistentní a další její vlastnosti, to je předmětem dalšího výzkumu.
Co když zjistíte, že to nebude možné?
(usměje se) Tak stále budeme mít přístroj použitelný na řadu jiných aplikací, například právě na sledování antibiotické rezistence. Ještě je před námi ale spousta práce, než bude použitelný v praxi.
Zatímco Ramanova spektroskopie je už dobře známou technologií, optické pinzety jsou podstatně mladším nástrojem, za nějž jeho objevitel Arthur Ashkin získal v roce 2018 Nobelovu cenu. Můžete přiblížit, oč jde?
Jejich princip je podobný jako u běžných pinzet. Arthur Ashkin byl velkým fandou Star Treku a nadchnul se pro myšlenku, že bychom mohli hýbat objekty pomocí světla. A v mikrosvětě se mu to skutečně podařilo. Jde o přelomový objev využitelný v celém spektru oborů, hlavně tedy v biologii. Funguje na principu laseru, který v sobě po zacílení a zaostření dokáže na základě mechanických vlastností světla udržet mikročástice. Světlo má totiž svou hybnost a dokáže silově působit na určité objekty, a tedy je – krom toho, že je dokonce přitahuje – taky udržet. A nejenže je dokáže udržet, Ashkin zjistil, že ty částice se vždy soustředí do středu toho světelného svazku, kde je nejintenzivnější. V momentě, kdy laserem s takto uchycenou částicí pohnete, pohnete i s částicí samotnou.
První analýzy jste prováděli na vzorcích moči. Bude v budoucí praxi zásadní, zda půjde o moč či jiné tělní tekutiny?
Ideální stav bude ten, kdy pinzeta bude zachytávat jednotlivé buňky, ne okolí, takže by nemělo být zásadní, o jaké tekutiny půjde. Ale samozřejmě nějakým faktorem to být může. My už máme představu, jak technologii optimalizovat, přičemž spíš než na moč se soustředíme na krevní sérum. Z něj jsou výsledky jednodušeji uchopitelné.
Praktický lékař dnes pacientům běžně odebírá vzorky moči či prostřednictvím CRP testů dokáže během chvilky analyzovat krev. Jaké místo po boku těchto diagnóz v praktickém lékařství zaujme váš přístroj?
Krev se nejčastěji posílá na biochemický a hematologický rozbor, v rámci kterého lze zjistit množství různých krvinek či obsah enzymů, minerálů a podobně… CRP test zjišťuje jen hladinu C-reaktivního proteinu, jehož rychlý vzestup doprovází především bakteriální infekce. Doktor vám však neřekne, co konkrétně v těle máte, může jen vycházet z některých typických příznaků nebo zkušeností. Takže když třeba předpokládá, že máte angínu, jejímž původcem je Streptococcus pyogenes, tak nasadí odpovídající léčbu.
Váš přístroj ale tohle šetření dokáže konkretizovat…?
Doufám, že ano! (směje se)
„V budoucnu by se mohlo jednat o univerzální zařízení, které zjistí z čehokoliv cokoliv.“
Přitom na základě CRP testů se dnes běžně předepisují antibiotika, kterých je množství druhů…
No, předepisování antibiotik je trošku komplikované… Nejen my jsme na našich pokusech zjišťovali, které bakterie jsou citlivé vůči konkrétním druhům antibiotik, právě s využitím Ramanovy spektroskopie v kombinaci s optickou pinzetou nebo něčím jiným… Ano, ideální stav by byl ten, kdy vám náš přístroj zjistí, co v krvi máte, a jaká antibiotika nasadit, abychom předcházeli předepisování antibiotik, vůči kterým může být ten který druh rezistentní.
Co vás pro daný výzkum inspirovalo?
Já jsem si původně myslela, že ze mě bude genetička, ale během studia mi učarovala mikrobiologie. Zajímaly mě metody rychlé diagnostiky, protože mám pocit, že jde o užitečné téma s velkým potenciálem do budoucna. Náš výzkum jsme začínali na hmotnostních spektrometrech, ovšem výsledky pro naše studie biofilmů nebyly ideální, tak jsme ve spolupráci s Ústavem přístrojové techniky přešli na Ramanovu spektroskopii a výsledky byly mnohem lepší, takže jsme si řekli, že technologii zkusíme rozvinout dál. A dnes už to je deset let…
Rezistence bakterií na antibiotika, která jsou nadužívána, je v posledních letech velké téma. Nakolik je tato rostoucí rezistence důsledkem nesprávného předepisování antibiotik lékaři?
On i ten lékař se často ocitne pod tlakem, protože pacient na něj naléhá a antibiotika vyžaduje… Bohužel dochází k tomu, že antibiotika jsou nasazována i na virové infekce, což postrádá význam. I kdybychom vzali vaši mikroflóru, tak jestliže jste někdy byl vystaven antibiotikům – což jste určitě byl –, tak bychom zjistili, že některé vaše bakterie určitou rezistenci mají. A bakterie si tuto rezistenci dokážou předávat, což představuje problém. Přitom i kdybyste nikdy žádná antibiotika nebral, mohou se nacházet v prostředí, třeba v odpadové vodě, některých potravinách, můžete si je přinést z nemocnice… Je to velký problém a zároveň dost komplexní téma! Samozřejmě, nejlepší je, pokud je léčba antibiotiky nejcílenější.
Mezi výhodami vašeho přístroje zmiňujete kromě včasné diagnózy i s ní související ekonomický efekt…
Naše metoda totiž nevyžaduje další spotřební materiál. Stačí vzorek a mikroskop. Žádné nádoby, žádné chemikálie. A další ekonomická výhoda pak spočívá v tom, že jestliže předepíšete antibiotika hned napoprvé správně, vyhnete se další medikaci, případně zkrátíte délku hospitalizace.
Kde se vaše metoda bude moct kromě lékařství využít?
Už dnes se Ramanova spektroskopie využívá například v potravinářství, třeba k analýze složení potravin. Nebo spolupracujeme s German Aerospace Centrem, tedy s Německým střediskem pro letectví a kosmonautiku, a to na výzkumu bakteriálních pigmentů. V rámci vesmírného výzkumu testují odolnost mikroorganismů, k čemuž my jim poskytujeme analýzy pigmentů a máme v plánu i další projekty už s větším použitím pinzety. Bakteriální vzorek není podmínkou. Můžete testovat leccos a v budoucnu by se mohlo jednat o univerzální zařízení, které zjistí z čehokoliv cokoliv.
Nakolik reálné by bylo takový přístroj dostat do ordinací praktických lékařů?
To je velká budoucnost. (usměje se) Ale! V současné době jsou ty přístroje nákladné, což je dáno tím, že jsou komplexnější. Například ten náš má v sobě tři typy laserů, což by však později, v klinické praxi, už nebylo nutné. Technický pokrok je v tomto směru strašně rychlý. Vždy se najde například někdo, kdo dokáže něco zmenšit, čímž pak klesají i náklady. Ale ano, ideální stav je ten, kdy bychom náš přístroj dostali do ambulancí a ordinací.
Teď přitom nezníte tak, že by to mělo trvat až tak dlouho. V čem spočívá největší technická obtíž?
Je fakt, že i hmotnostní spektrometrie byla před časem sci-fi a dnes máme k dispozici krásné přístroje. U Ramanovy spektroskopie je obecně problém v tom, že neexistují dostatečně rozsáhlé knihovny bakteriálních spekter…
…které ale vy vytváříte!
Ano, je to jedna ze součástí našeho výzkumu. Ale pro reálné využití by musely být násobně rozsáhlejší. Ony sice nějaká data, která byla veřejně publikovaná, existují, ale problém je v tom, že všechna vznikala maličko jinak a ty postupy dosud nebyly standardizované. My tak v současnosti vytváříme vlastní „knihovnu“, ale rádi bychom, aby její použití bylo později širší.
Není to nekonečná práce?
V klinické praxi existuje určité spektrum mikrobů, které se vystihují častěji, takže pokud jsou charakterizované tyto a přístroj vám dokáže vzorek zařadit tak, že spadá do některého z těchto spekter, nebo naopak vyloučit, že do žádného nezapadá, tak už to je dobrá informace. Ale zkompletování těch knihoven je největší výzva ze všech, to ještě nějakou dobu potrvá. Navíc, my jsme část vzorků zjišťovali sice s pomocí Ramanovy spektroskopie, ale nikoliv ještě s optickou pinzetou, takže budeme muset ještě vyřešit, jak technicky udělat, abychom takto dvěma způsoby sesbírané vzorky mohli vzájemně porovnat. Doufám, že to nebudeme muset dělat celé znovu. (směje se) Ale ne, vážně – zdá se, že to bude jen otázka matematiky.
Schéma podpory s názvem LF Accelerate v rámci Interní grantové agentury Lékařské fakulty Masarykovy Univerzity (LF MU) je určeno k posouzení aplikačního potenciálu výsledků výzkumu a vývoje LF MU a dosažení znatelného posunu v procesu jejich uplatnění v praxi. Na jeden projekt je možné získat 500 tis. Kč. Cílem je zvýšení počtu a kvality výsledků výzkumu a vývoje vytvářených na LF MU za účelem jejich uplatnění v praxi, zvýšení interakce mezi LF MU a aplikační sférou, vč. zvyšování povědomí o VaV činnostech a výsledcích LF MU, podpora aplikovaného výzkumu, experimentálního vývoje, Proof of Concept projektů a zakládání start-up / spin-off společností na LF MU. Další výzva plánována na září 2022.
Pozvání na snídani s Tomášem Kašpárkem v pondělí 7. října tentokrát přijal Jaroslav Štěrba a Regina Demlová, dvě klíčové osobnosti Centra Excelence CREATIC LF MU.
10. září jsme se sešli na první poprázdninové snídani v Knihovně univerzitního kampusu se Stjepanem Uldrijanem a Tomášem Kašpárkem. Jedním z hlavních témat byl aplikovaný výzkum a jeho podpora na Lékařské fakultě MU.