Institut klinické a experimentální medicíny (IKEM) rozjíždí v těchto dnech velkou novinku – experimentální MR (magnetická rezonance) spektrometr, který představuje jednu z největších investic poslední doby do českého zdravotnictví. Nahradí přitom rekordní čtvrt století sloužící MR zařízení, které svou dlouhou výzkumnou cestu uzavřelo letos o prázdninách. O tom, co všechno bude možné díky zbrusu novému stroji zkoumat, si Zdravotnický deník povídal s docentem Danielem Jirákem z Pracoviště zobrazovacích metod Oddělení experimentální magnetické rezonance IKEM.
Jste biomedicínský inženýr. Můžete představit, jak vypadá váš typický pracovní den?
Teď jsme měli trochu netypické období „bezvládí“, protože starý MR přístroj byl již odinstalovaný, ale ještě nebyl nainstalovaný nový. Je to tedy trochu divoké – sedíme, kde se dá, protože budova, kde máme kanceláře, se musela připravit na instalaci nového stroje. Je totiž o hodně těžší, původní zařízení vážilo kolem čtyř tun, zatímco nový přístroj je zhruba sedmitunový. Musela se proto vyzkoušet nosnost podlahy a vzhledem k jinému výkonovému zatížení vyměnit elektrika. Pokusy na buňkách probíhají nezávisle, ale všechno týkající se zobrazování pomocí magnetické rezonance od začátku srpna stojí. Standardně tedy zpracováváme data, která jsme si naměřili na starém přístroji, a připravujeme je k publikaci – právě finišujeme články na různá témata, například o vývoji kontrastních látek na bázi dvou nebo tří metalických struktur či o drug-delivery systémech na bázi fluoru. Zabýváme se také využitím fosforu pro MR kontrastní látky, kde byl IKEM jeden z prvních, kdo publikoval kontrastní látky pro fosforovou MR, u nichž nastal boom zhruba před rokem. Tyto látky jsou zajímavé pro svou vysokou biokompatibilitu i tím, že jsou responzivní na fyziologické podněty. To, co například zkoumáme a chystáme k publikaci, je vychytávání reaktivních forem kyslíku.
Proč se vlastně přistoupilo k výměně zobrazovacího zařízení?
Starý přístroj sloužil do posledního dne, kdy jsme ještě den před odinstalováním pořídili MR obrázky, které jsme teď prezentovali na vědecké konferenci. V některých věcech šlo o velmi dobré zařízení, ani bychom ho nechtěli měnit, jenže už byl tak morálně a technicky zastaralý, že k němu firma ani nevyráběla náhradní díly. Některé věci, jako jsou větráčky, jsme si mohli opravit, ale pokud by se pokazila řídící jednotka, tak by celé oddělení molekulárního zobrazování, které bylo v IKEM založeno před 30 lety, skončilo. V molekulárním zobrazování byl přitom IKEM nejen v Česku, ale v celé střední Evropě, pionýrem, a díky novému stroji budeme schopni v tomto trendu pokračovat.
Starý experimentální spektrometr v IKEM byl tedy trochu rekordmanem, když byl jedním z prvních a vydržel tak dlouho…
Byl nainstalován někdy v roce 1998, takže sloužil čtvrt století. Společnost, která ho vyrobila, dokonce uvažovala, že by natočila reklamu, jak je její hardware dobrý, když takto vydrží. Tehdejší management IKEM, který přístroj pořídil, a pan doktor Hájek, který se o to hodně zasadil, tak udělali velmi nadčasové rozhodnutí. Do poslední chvíle jsme díky přístroji získávali dobrá data, s nimiž jsme se dostávali do prestižních časopisů, například loni do Nature Communications. Bohužel ale už nedokázal vše, co jsme chtěli – když pominu, že nebyly součástky a software byl zastaralý, takže jsme si ho nakonec psali sami, tak přístroj neuměl některé zásadní věci, jako je difuze, nebylo dobré časové rozlišení pro angiografie a nešlo MR srdce, které je přitom pro IKEM ikonické. Proto byl tlak, abychom se posunuli na úroveň jiných vědeckých laboratoří.
„Starý MR přístroj sloužil čtvrt století. Do poslední chvíle jsme díky němu získávali dobrá data, s nimiž jsme se dostávali do prestižních časopisů.“
Co všechno tedy bude umět nový spektrometr navíc?
Bude rychlejší a senzitivnější, protože senzitivita je dána i velikostí magnetického pole. Starý přístroj měl 4,7 tesla, tento bude mít 7 tesla. Budeme tak získávat užitečný signál za mnohem menší čas, takže měření mohou být rychlejší. To je důležité hlavně pro in vivo aplikace. Bude také umět měřit difuzní tenzory, MR srdce a měl by také poskytovat větší rozlišení nejen díky většímu magnetickému poli, ale také díky kryosondě, což je cívka chlazená héliem. Díky tomu se budeme moci dostat na senzitivitu, jakou mají magnetické přístroje o velikosti pole 10 či 12 tesla, které jsou ovšem mnohem dražší.
V rámci jakých projektů se chystáte přístroj ze startu využít?
Naše oddělení má několik velkých grantů od ministerstva školství a zdravotnictví. Grant, u něhož na novém přístroji chystáme pokračování, je vývoj fosforových kontrastních látek. Základní data jsme již publikovali, ale chtěli bychom to kombinovat s jinými prvky, například aby byly duální kontrasty na bázi lanthanoidů a flóru nebo superparamagnetických nanočástic oxidů železa. Zde bude možné měřit nejen nevodíkovou MR, například fosforovou, ale i pořizovat anatomické obrázky s větší senzitivitou a specificitou díky těmto duálním kontrastům.
Jaký může mít ve finále takovýto výzkum význam pro pacienty?
Jde o věci, kde je cesta od experimentu do kliniky velmi dlouhá a často nevede k cíli. Navíc je při klinickém testování potřeba, aby se do toho vložil soukromý investor. Nicméně všechny kontrastní látky, které vyvíjíme, jsou netoxické a každý kontrast se vyznačuje něčím specifickým. Fosfory jsou známy úžasnou biokompatibilitou, takže by neměly být zásadní problémy, aby tyto látky byly dotaženy do konce. Do klinické praxe by tak nemusely mít tak daleko. V tuto chvíli klinická praxe využívá většinou anatomické zobrazování, tedy vodíku, ale první spektra v klinické praxi byla fosforová. Fosforová MR se standardně používá i na našem klinickém pracovišti MR, kde se pomocí fosforové spektroskopie stanovují metabolity například u dystrofie svalů. Pomocí fosforu můžeme určit různé energetické poměry. My máme k dispozici velmi jednoduchou a přitom efektivní značku, kde se jeden kyslík ve vazbě s fosforem zamění za síru, čímž se malinko změní rezonanční frekvence, a tím docílíme takřka 100% specificity. Tím jednoznačně odlišíme tento signál od biologického fosforového signálu. Tento kontrast testujeme ve spolupráci s Ústavem makromolekulární chemie AV ČR, která ho vyvíjí a máme zde společný grant. Zajímavostí je, že tyto kontrastní látky by mohly sloužit jako velmi efektivní ochrana před kosmickým zářením, kterému by byl člověk exponován po dlouhou dobu, typicky se uvažuje o cestě na Mars. Stejně jako se vychytávají reaktivní formy kyslíku v tkáni, mohly by efektivně chránit před kosmickým zářením, protože princip vychytávání reaktivních forem je stejný.
Zkoumáte ještě další kontrastní látky?
Jako velmi slibné se ukazují kontrastní látky na bázi fluoru, kde máme dva granty. U fosforu je to snadné s biokompatibilitou, protože fosfor je všude. U fluoru je to naopak, protože jeho přirozený výskyt v lidské tkáni je zanedbatelný. Když bychom použili tyto látky na označení transplantovaných buněk, budeme vědět, že signál jde pouze z nich a nemůže dojít k falešně pozitivním nálezům. Fluor má nulové pozadí, takže se tomu říká „hot spot“ imaging. Spolupracujeme přitom s kolegy z Přírodovědecké fakulty UK a první výsledky, které máme, jsou v porovnání s jinými známými světovými laboratořemi srovnatelné nebo i lepší. Jeden grant je na vývoj nosičů, druhý zkoumá z hlediska zobrazování různá transplantační místa, která by umožnila delší přežívání transplantovaných buněk.
Mluvíme například o Langerhansových ostrůvcích?
To je typický příklad.
Jaká další místa, než kam se tyto buňky dnes běžně umisťují, přicházejí v úvahu?
V klinice je zlatým standardem transplantace do jater, kterou pro porovnání provádíme u zvířat. Nedávno v Miami přišli s transplantací do omenta, a i IKEM už má pár pacientů s transplantacemi do omenta, takže to porovnáváme. Zkoumáme i vylepšení, třeba gely, které transplantovanou tkáň přichytí, nebo podpůrné struktury, například decelularizovaný pankreas. V experimentech se také ostrůvky transplantují pod kapsuli ledviny a máme v plánu testovat i další možnosti, například do musculus psoas (bederního svalu). Měla by to vždy být místa dobře prokrvená, kde ale není v ideálním případě přímý kontakt s krví.
Proč se vlastně hledají nová místa pro transplantace buněk?
Velká část transplantovaných buněk nepřežije tři dny po transplantaci – je to způsobené nespecifickou zánětlivou reakcí IBMIR (z angl. instant blood-mediated inflammatory reaction), proto potřebujeme dárců více – což je u Langerhansových ostrůvků problematické. V IKEMu se snažíme přijít s takovými transplantačními místy, která vyžadují pro dlouhodobé indukování normoglykémie méně ostrůvků. Proto se také zkoušejí artificiální transplantační techniky, kdy se ostrůvky implantují do různě síťovaných komůrek.
Foto: IKEM
Jaké místo se jeví jako nejnadějnější?
Slibná je transplantace do omenta, která je navíc pro pacienta příjemnější. Byl jsem k tomu nejprve trochu skeptický, protože jsem začínal zobrazovat ostrůvky v játrech a byl jsem na ně zvyklý. Nicméně transplantace do omenta jsou jednoduché a z hlediska zobrazování i výhodnější. U jater nemůžeme vůbec využít optické zobrazování, spoléháme jen na magnetickou rezonanci. U omenta jsme již využili bioluminiscenční zobrazování, k čemuž máme i články.
Kdyby se tyto transplantace povedlo dotáhnout, co to pacientům přinese?
Zákrok bude jednodušší a bude větší šance, že se pacient k transplantaci dostane, protože nebude vyžadováno takové množství ostrůvků. U jater je stanoven minimální počet ostrůvků, který se musí transplantovat, aby byla šance na dlouhodobou normoglykemii. My se na zvířecích experimentech snažíme najít místo, které nebude vyžadovat tak vysoký počet. A abychom mohli ostrůvky monitorovat a vizualizovat, abychom zjistili, zda přežily, potřebujeme je označit – jinak bychom je třeba v omentu neměli šanci vidět. Standardní kontrastní látky na bázi železa či superparamagnetických nanočástic oxidů železa, které jsme velmi úspěšně používali v případě jater, nejsou pro značení buněk transplantovaných do omenta příliš vhodné, protože produkují na MR obrazech hypointenzní signál – tmavé oblasti, kterých je tam hodně. U omenta, ale i v dalších nových transplantačních místech, buňky nedokážeme jednoznačně odlišit od okolní tkáně. Zde je tedy velký potenciál specifických kontrastů, jako jsou třeba fluorové látky.
Takže výzkum, co se vašeho oddělení týče, cílí ve výsledku hlavně na diabetologii?
Největší množství experimentů se opravdu týká terapie diabetu I. typu. Řada kontrastních látek je ale velmi efektivní i na detekci tumorů, nicméně IKEM není onkologické pracoviště, takže to pak provádíme ve spolupráci s jinými ústavy. Potenciál je ale obrovský. Některé kontrasty jsou vhodné pro detekování malých lézí tumorů, například lymfatických uzlin, kde byl kontrast vychytáván makrofágy. Spoustu kontrastů bychom také chtěli použít pro angiografii, ale to nám nedovolil starý přístroj vzhledem ke špatnému časovému rozlišení. Už však máme zájem z Fyziologického ústavu AV ČR, kde by chtěli kvantifikovat prokrvení tkáně, na což se hodí perfuze či angiografie. Většinou se využívají kontrastní látky na bázi gadolinia, které jsou klinicky schválené. My ovšem testujeme látky, kde by měl být případný toxický efekt méně pravděpodobný.
Máte nějaké studie, které se netýkají kontrastních látek?
Ano, je jich celá řada. Dělali jsme třeba jednu studii vděčnou z hlediska popularizace vědy, kdy jsme byli osloveni kolegy ze Švédska, kteří na mozcích zkoumali, jak se vyvinul pták z plazů. Měli model bažanta a krokodýla, kdy bažant bez ocasu pohybem i velikostí odpovídá archeopteryxovi, zatímco krokodýl je konzervativní evoluční forma pamatující T-Rexe. Měřili jsme všechno od embryí až po dospělé hlavy. Jejich MR snímky se pak porovnávaly s mozkovnami nalezených dinosaurů, třeba dilonga, který byl objeven v roce 2004.
Už jste zmínil jednu oblast výzkumu, který budete na novém experimentálním spektrometru provádět a již starý přístroj nezvládal. Jsou ještě vedle angiografie další potenciální projekty, které by se nově mohly rozjet?
Velká oblast, kde bychom mohli nabídnout své služby a už o ně projevil zájem Ústav experimentální medicíny AV ČR nebo 2. lékařská fakulta UK, je měření difuze. Doposud jsme museli jezdit do Brna, nicméně při snaze vyhovět všem regulacím pro práci se zvířaty a navíc nutnosti převozu zvířat to není komfortní. Čeká tu tedy spousta studií zaměřených na difuze mozku.
Je experimentální spektrometr naprosté těžiště vaší práce, nebo děláte i na dalších přístrojích?
Obrázky jsou tím, co je nejvíc vidět a zaujme. Máme ale i další pěkné vybavení, například MR relaxometr stanovující relaxační časy. Ty v MR obrazech určují kontrast, a my si na relaxometru můžeme látky otestovat, jestli je má vůbec smysl pustit dál do zobrazovacích experimentů. Využívá se tedy pro charakterizaci vyvíjených kontrastních látek a můžeme tak třeba určit i to, jestli jsou buňky dostatečně označené železem. Náš relaxometr je unikátní v tom, že mimo vodíkových umožňuje měřit i fluorové relaxace. Není ani příliš běžné, že síla relaxometru je 1,5 tesla, což je stejné magnetické pole, které se používá v klinické praxi. Pokud to tedy funguje u nás, je pravděpodobné, že to bude fungovat i na klinických přístrojích. Druhý přístroj, na který jsme pyšní, je optický zobrazovač pro in vivo aplikace umožňující fluorescenční nebo bioluminiscenční zobrazování, které je neinvazivní. Jde o velice citlivou zobrazovací techniku srovnatelnou s radionukleárními metodami. Když vyvíjíme kontrastní látky, je velmi výhodné, pokud jdou zobrazit různými zobrazovacími modalitami. Každá z nich má totiž své výhody a nevýhody, takže kombinací dostáváme mnohem komplexnější informaci. Zlepšuje se tak senzitivita, specificita i diagnostická úspěšnost. Na optický zobrazovač jsme přitom velmi pyšní, protože jeho kamera patří mezi nejcitlivější, které jsou v současnosti dostupné.
„Měřili jsme různé typy zvířat, od pštrosích vajíček po embryo latimérie obrovské.“
Pracujete také s lidskými tkáněmi, nebo jen se zvířecími?
I s lidskými. Výhodou nového stroje nicméně bude, že doposud jsme byli velmi omezeni prostorem. U starého zařízení byl průměr kolem 20 cm, ale když se přidaly gradienty a cívky, mohli jsme reálně měřit na využitelném prostoru o průměru 7 cm.
To je tak na myš.
Ano, i potkana, nebo velmi malou tkáň, kde to ale často ani nemělo smysl. Teď se nám ale možnosti rozšíří, protože základní průměr bude 30 cm. Už máme předběžný zájem i ze strany patologů, kteří spolupracují s doktorem Hájkem na stanovení obsahu tuku v játrech u lidí. Zatím jsme takových experimentů vzhledem k limitaci místem moc nedělali.
V jakém poměru tedy testujete na lidských a zvířecích tkáních, případně na neživých materiálech?
Posloupnost je taková, že nejprve se testuje samotná látka, a když to vypadá slibně, přejdeme na buňky, respektive testování s buněčnou kulturou. Pokud je to netoxické a stále jsme schopni buňky vizualizovat, postupujeme ke zvířatům. Poměr měření na neživých látkách a zvířatech je tak 50 na 50.
A testujete hlavně na myších?
U experimentů týkajících se diabetu téměř výhradně používáme potkany. Některé anatomické ischémie mozku měříme jak na potkanech, tak na myších. Měřili jsme ale různé typy zvířat, od pštrosích vajíček po embryo latimérie obrovské – to ale bylo měřeno na klinickém přístroji, protože do toho našeho se nevešlo. V novém zařízení však budeme moci rutinně měřit i větší zvířata, jako jsou králíci, což zase zvýší aplikační možnosti.
Disponujete dvěma patenty. Můžete je přiblížit?
Jsme spolunositeli patentu u kontrastní látky na bázi superparamagnetických nanočástic oxidů železa vázaných s kyselinou hyaluronovou, která je vhodná pro detekci lézí v játrech. Oslovila nás firma Contipro, jestli některé látky nejsou toxické, protože měla jednání s kosmetickými firmami. Když jsme to zkoušeli, napadlo nás, že by to byla vhodná látka pro detekci lézí v játrech, a překvapivě to fungovalo tak, že se to dotáhlo k patentu. Druhý patent vznikl díky tomu, že když jsme měřili myši a chtěli použít i fluorové MR měření, nebyli jsme spokojeni s cívkami. Nakonec jsme přišli s unikátní konstrukcí cívky, která má vysokou homogenitu a přitom je dostatečně citlivá, zároveň je ale snadno přeladitelná nejen na klasické anatomické, tedy vodíkové zobrazování, ale i na fluory. Naše konstrukce cívky vyvinuté v rámci dizertační práce jednoho mého studenta, inženýra Víta, umožňuje použít menší počet kondenzátorů, což je nejdražší část v radiofrekvenčních cívkách. Normálně cívka může stát 200 tisíc korun, díky našemu řešení se dostaneme na pětinovou cenu komerčních cívek, které přitom často nebývají tak citlivé jako ty naše. Tato práce vyvolala velký zájem odborné veřejnosti, o čemž svědčí i to, že se výsledky této práce dostaly na titulní stránku prestižního odborného časopisu.
„Normálně cívka může stát 200 tisíc korun, díky našemu řešení se dostaneme na pětinovou cenu komerčních cívek, které přitom často nebývají tak citlivé jako ty naše.“
Kolik vás vlastně na projektech pracuje?
Standardně pracuje na jednom projektu plus minus pět lidí, přičemž se snažím, aby skupina byla heterogenní a nebyli tam jen doktoři či chemici. To umožňuje různé pohledy na danou problematiku, které by třeba druhou skupinu nenapadly. Máme tu převážně studenty, a to jak z lékařských, tak chemických či technických fakult. Grant přitom většinou mívá víc projektů. Vedle tří zmíněných grantů nám nedávno skončil ještě velký grant zaměřený na vývoj kontrastních látek využívajících kovy, které dokázaly ovlivnit kontrast na MR obrazech a měly fluorescenční vlastnosti. A pak máme velký grant zabývající se zobrazením exozomů, což se ukazuje jako velmi efektivní signalizace mezi buňkami. K tomu využíváme kontrastní látky vyvíjené v jiných projektech. Zde se cílí na terapii onkologických onemocnění. Jsme také zapojeni do grantu CarDia v rámci projektu EXCELES, který umožnil nákup nového stroje, přičemž jde o jednu z největších investic IKEM v poslední době. CarDia zahrnuje pět center vědecké, výzkumné a klinické excelence a předpokládáme v rámci tohoto projektu několik společných studií. Dostali jsme i výzkumný záměr umožňující měřit spoustu pilotních projektů a získat pilotní data, která nám dovolí žádat o velké granty.
Jsou nějaké odbornosti, které vám chybí?
Chtěli bychom biology a biomedicínské inženýry. Naše skupina asi nemá sílu, aby vyvíjela něco fyzikálně převratného, ale chtěli bychom, aby nový stroj fungoval především jako servis pro IKEM – což v našem případě znamená práci se zvířaty. Teď jsme přijali dva lidi, jeden je z přírodovědy, ale zaměřený na vývoj kontrastních látek, a pak studentku z 1. lékařské fakulty, která by se měla zaměřovat na práci s buňkami. Nicméně uvítáme jakékoliv šikovné lidi, je jedno jakého zaměření.
Budete s novým přístrojem tým rozšiřovat?
Určitě. I starý stroj často běžel 24 hodin denně a práce tam bylo hodně. Teď se díky novým technickým možnostem aplikace ještě rozšíří a nebude v našich silách to všechno zvládnout, takže bychom určitě posilu chtěli.
Na co byste nalákal na práci do IKEM?
Teď už můžu říci, že na špičkově vybavené pracoviště umožňující nejen optické zobrazování, ale i zobrazování magnetickou rezonancí. Nabízíme uplatnění ve velmi dynamickém směru molekulárního zobrazování, které, i co se týče publikací či kongresů, hraje stále výraznější roli a umožňuje tak práci s nejnovějšími trendy v moderní experimentální medicíně, která ale reflektuje potřeby klinické medicíny. Máme mladý kolektiv, převážně Ph.D. studentů, který pracuje v mezinárodním prostředí – v našem týmu jsou i lidé ze zahraničí – Polska, Slovenska nebo třeba i z Izraele.
Jaké jsou výhledy do budoucna, chystáte ještě nějaké novinky?
Ono bude velmi trvat, než se u nového stroje vše naučíme používat. Třeba MR kardio se sice dělá ve spoustě institucí standardně, ale my s tím nemáme žádnou zkušenost. Podobně to bude s difuzemi, perfuzemi a dalšími měřeními. To, že jsme byli konkurenceschopní i se čtvrt století starým strojem, bylo dáno i tím, že jsme ho velmi dobře znali a ovládali, takže jsme jeho možnosti využili takřka na sto procent. I u nového stroje se budeme snažit o maximální využití, ale může to nějakou dobu trvat. Jinak se připravujeme na další projekty, kdy jsme například byli osloveni skupinou z CEITEC, že by chtěli charakterizovat buňky pomocí spektroskopie, což by nový stroj měl umožnit. Bude to ale vyžadovat dlouhé měření, takže teď chceme sestrojit bioreaktor, který by umožňoval velmi dlouhé měření buněk za standardních fyziologických podmínek. A rádi bychom třeba pomocí bórové MR studovali novou teranostickou látku, která se má testovat v Protonovém centru v Praze jako možná účinná terapeutická látka pro některé typy nádorových onemocnění.