Tak hluboko do mozku jsme ještě neviděli. Vědci v Brně vyvíjí holografický endoskop

Na budově Ústavu přístrojové techniky v Královopolské ulici v Brně visí trochu zaprášený banner s vlajkou Evropské unie. Jeden z těch, kterým kolemjdoucí nevěnují příliš pozornost, už proto, že si pod názvem projektu podpořeného z evropských fondů – holografická endoskopie in vivo – nedokážou nic moc představit.

Uvnitř budovy ale žije pár desítek laboratorních myší. Vědci na nich testují výjimečnou technologii: přístroj, který dokáže zobrazit hluboké mozkové struktury v živém organismu.

Na výzkumu začal před třinácti lety pracovat profesor Tomáš Čižmár, který v té době působil na skotské univerzitě St Andrews. Propojení fyziky a medicíny mu umožnilo hledat nové cesty, jak využít poznatky komplexní fotoniky v moderní lékařské mikroskopii. „Zobrazování mozku je stále velkou výzvou. Současné multifotonové mikroskopy to dovolují, ale dostanete se v podstatě jen do hloubky asi jednoho milimetru. Když chcete vidět dál, musíte využít nějaké invazivní technologie,“ vysvětluje vědec.

Vytvořit sondu, která by se dostala dovnitř mozku a uměla detailně zobrazit propojení jednotlivých neuronů, je ale extrémně složité, protože přitom vždy dochází k poškození citlivých mozkových tkání. Řešení, se kterým přišel Čižmár a jeho tým, spočívá ve využití optického vlákna, to musí být dostatečně tenké na to, aby proniklo do hloubky mozku bez významného poškození, a zároveň dokáže přenést detailní obraz toho, co se tam na buněčné úrovni odehrává. Poradit si s tím umí holografický endoskop, přístroj, na jehož vývoji pracuje Čižmár ve dvou vědeckých laboratořích: kromě brněnského Ústavu přístrojové techniky ještě v Leibnizově ústavu fotonických technologií v německé Jeně.

Rozsvítit buňky jako medúzu

Holografický endoskop vypadá jako hodinový stroj, místo ozubených koleček má ale sofistikovaný systém čoček, které přenášejí laserový signál do optického vlákna. To připomíná tenoučkou jehlu šicího stroje a při pozorné prohlídce je vidět, že na jeho špičce svítí miniaturní tečka.

„Vlákno má průměr asi desetinu milimetru. Dokázali bychom ho vyrobit i tenčí, ale zúžilo by se tím zorné pole zobrazení,“ vysvětluje vědkyně Hana Uhlířová, která s Tomášem Čižmárem na výzkumu spolupracuje. V brněnské laboratoři se zabývá vývojem zobrazování v živém organismu. Technologie se testuje na myších, jejichž funkční genom je z 85 procent stejný jako u lidí. A díky jejich kratšímu životnímu cyklu jde u nich pozorovat procesy probíhající v těle rychleji, než by to bylo možné u člověka.

Příprava na zavedení sondy se provádí v anestezii, do myší lebky je třeba vyvrtat takzvanou kraniotomii, tedy otvor, kterým pak bude možné zavést vlákno dovnitř.

Během zotavení se myši podávají léky na tišení bolesti, když se ale místo zacelí, je možné zavést vlákno do zvířecího mozku bezbolestně. „Dříve se experimenty prováděly jen na uspaných zvířatech. Dnes je ale díky pokročilým technologiím možné monitorovat buňky bez umrtvení, a to je velmi důležité, protože anestezie ovlivňuje mnoho funkcí, které sledujeme. Interpretace dat je v případě uspaného modelu problematická,“ říká Uhlířová.

Přístroj, který vidí do hloubky. Holografický endoskop může pomáhat s odhalením příčin neurodegenerativních onemocnění nebo s testováním nových léčebných postupů.

Foto: HN – Tomáš Škoda

Aby světelný signál získal v organismu potřebné informace, musí se od něčeho odrazit. „Když posvítím do mozku mně nebo vám, tak se žádné světlo neodrazí, protože mozek je měkký jako želatina,“ objasňuje vědkyně. Proto se zvířecí organismy geneticky modifikují a příslušné buňky v jejich těle tak získají světélkující vlastnosti. Když na ně pak během experimentu dopadne laserový paprsek, rozsvítí se a vrátí optickému vláknu signál, který je možné zachytit a přenést zpátky k vytvoření obrazu.

To je jeden z důvodů, proč není možné přístroj používat ke zkoumání lidského mozku. „Nedovedu si představit, že by to bylo použitelné přímo na lidech,“ potvrzuje Čižmár. Na zvířecím modelu je ale možné porozumět tomu, jak mozek funguje, a poznatky přenést do lékařské praxe. „U zkoumání neurodegenerativních onemocnění, jako je třeba Alzheimerova choroba, jsme v podstatě na začátku, protože mozek dosud nebylo možné takto detailně pozorovat. Náš výzkum může pomoci pochopit, jak tyto nemoci vznikají a kde na ně zacílit,“ pokračuje vědec.

Na vývoj unikátního přístroje získala brněnská laboratoř 152 milionů z Evropského fondu pro regionální rozvoj. Výzkum je nyní ve fázi, kdy se vědcům podařilo vyvinout a otestovat technologii, která spolehlivě zobrazuje hluboké mozkové struktury. Další výzvou je přizpůsobit zařízení tomu, aby se zvířecí modely mohly během experimentu volně pohybovat. K tomu je potřeba, aby vlákno bylo ohebné a přitom nezkreslovalo přenášenou obrazovou informaci. „Nejsme od toho daleko,“ slibuje Čižmár.

Možnosti využití jedinečné technologie vidí vědec kromě neurologie i v jiných lékařských oborech nebo mimo medicínu. „Jeden můj kolega ze Skotska využívá podobné metody v kvantové optice. I tam by mohly být zajímavé aplikace,“ prozrazuje Čižmár. Uplatnění by technologie našla i v průmyslu, například u monitorování složitějších výrobních procesů.

České úřady vědcům důvěřují méně

Výzkum může pokračovat jen díky tomu, že Čižmár úspěšně využívá dotační podporu špičkových vědeckých projektů. „Vloni se mi podařilo získat prestižní grant Evropské rady pro výzkum a na něj navázané doplňkové granty. Prostředky dělím mezi obě laboratoře, v Jeně i v Brně,“ odpovídá na otázku, jak se mu daří výzkum financovat. Náklady na vědeckou práci ale vyžadují vícezdrojové financování a kombinaci několika různých dotačních programů, ať už z evropských nebo národních fondů.

Díky podcastu Bruselský diktát pochopíte, že pro nás Čechy má mnohem větší význam dění v Evropě než v Praze a v Česku vůbec. Celé díly poslouchejte na

HeroHero Gazetisto Forendors

Shánění financí a s tím spojená legislativa je jedním z faktorů, které práci brněnské laboratoře nejvíc brzdí. „Obzvláště peníze, které pochází z České republiky nebo prochází českým úředním aparátem, jsou okleštěné velkým množstvím administrativy a omezení. Vychází to z nedůvěry, že výzkumník použije peníze tak, jak je použít má,“ upozorňuje Uhlířová, když srovnává své zkušenosti s českými a mezinárodními dotační programy.

Čerpání evropských dotací

Stáhněte si přílohu v PDF

Přesto se výzkum řadí k těm „šťastnějším“, které byly v čerpání dotační podpory úspěšné. „Ve vědě je to docela vzácné,“ podotýká Čižmár. Exkluzivní grant Evropské výzkumné rady získali minulý rok jen dva čeští vědci a letos pouze jeden.

Holografický endoskop má už nakročeno i ke komerčnímu využití. V Německu ho chce vyrábět start‑up DeepEn, se kterým Čižmár spolupracuje. „Pokud se nám podaří sehnat správné investory, tak bude přístroj na trhu někdy koncem příštího roku nebo v roce 2025,“ odhaduje vědec.

Od německé agentury Exist získala firma startovní dotaci ve výši jednoho milionu eur na překonání první fáze mezi odštěpením se od akademie a rozjezdem samostatného byznysu. „Podobné iniciativy mi v Česku chybí. Vím, že tu máme agentury, které se o to snaží, ale není to ještě na takové úrovni,“ dodává Čižmár. Přesto vážně uvažuje o založení dalších start‑upů, které se budou věnovat souvisejícím komerčním aktivitám i v Česku.

Článek byl publikován ve speciální příloze HN Čerpání evropských dotací.