#pokolenieNCN – Maciej Trusiak: Mamy światowy rekord w tomografii bezsoczewkowej

Pokolenie NCN to badaczki i badacze, których praca przesuwa granice wiedzy i zmienia nasze życie – poprawia zdrowie, chroni środowisko, rozwija technologie i pogłębia zrozumienie świata. Bohaterem 5. odcinka jest Maciej Trusiak, konstruujący mikroskopy bezsoczewkowe, które pozwalają obrazować setki tysięcy komórek w jednym kadrze. Dzięki nim można już tuż po pobraniu próbki sprawdzić, czy biopsja nadaje się do dalszej analizy.

Maciej Trusiak jest profesorem na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, gdzie kieruje grupą obrazowania obliczeniowego. Jak sam podkreśla, od początku interesowało go, by „zadawać swoje pytania, iść swoją ścieżką i realizować swoje cele, plany, marzenia”. Zaczynał w pojedynkę, a dziś kieruje 15-osobowym zespołem. Jego badania finansują Narodowe Centrum Nauki i Europejska Rada ds. Badań Naukowych.

Proste urządzenie, konkretne zastosowanie

Diagnoza onkologiczna często zaczyna się od pobrania niewielkiej próbki – komórek lub tkanki – na przykład rozmazu z tarczycy. Histopatolog ocenia ją dopiero po wybarwieniu preparatu, co zajmuje czas, a niekiedy okazuje się, że materiał został pobrany nieprawidłowo i biopsję trzeba powtórzyć.

Mikroskop bezsoczewkowy opracowywany przez zespół Macieja Trusiaka pozwala sprawdzić jakość preparatu już bezpośrednio po pobraniu, jeszcze zanim trafi on do dalszej obróbki. Dzięki temu można szybciej wychwycić, że biopsję trzeba powtórzyć, i oszczędzić pacjentowi cennego czasu. Jak podkreśla naukowiec, urządzenie nie zastąpi histopatologa, ale może stać się jego narzędziem wstępnej oceny. Pierwsze egzemplarze badawcze są już instalowane w laboratoriach biologów i lekarzy. Wdrożenie wersji klinicznej wymaga partnera produkcyjnego i – jak szacuje sam badacz – kilku lat pracy. Sama konstrukcja jest przy tym bardzo tania: kamera kosztuje około stu dolarów, źródłem światła jest dioda LED, a próbkę umieszcza się na zwykłym szkiełku podstawowym.

Hologram zamiast soczewki

Klasyczny mikroskop powiększa obraz za pomocą układu soczewek, a wadą takiego rozwiązania jest niewielkie pole widzenia – jednorazowo można obserwować zaledwie kilka komórek. W mikroskopii bezsoczewkowej soczewek nie ma. Próbka leży bezpośrednio nad sensorem kamery i jest oświetlana wiązką światła, która – przechodząc przez cienki preparat – ulega niewielkiemu rozproszeniu. Fala niezaburzona i fala zaburzona przez próbkę nakładają się na siebie i tworzą na matrycy hologram. Obraz powstaje dopiero w drugim etapie, numerycznie: algorytm cofa propagację światła i rekonstruuje strukturę próbki.

Taki układ pozwala obrazować całą hodowlę komórkową – dziesiątki, a nawet setki tysięcy komórek jednocześnie. To zwiększa szansę uchwycenia istotnych zjawisk i ogranicza ryzyko błędnego wnioskowania na podstawie wycinka. Mikroskop bezsoczewkowy radzi sobie również z próbkami transparentnymi, które nie pochłaniają światła i pozostają niewidoczne dla klasycznej kamery. Wykorzystuje w tym celu kontrast fazowy – mechanizm opisany w latach trzydziestych przez Fritsa Zernikego (Nagroda Nobla z fizyki w 1953 roku). Różne struktury wewnątrzkomórkowe – jądro, mitochondria, cytoszkielet – w różnym stopniu opóźniają przechodzącą falę światła, a rekonstrukcja tych opóźnień pozwala odróżnić je wewnątrz komórki bez konieczności jej barwienia.

Światowy rekord w tomografii bezsoczewkowej

Mikroskopia bezsoczewkowa rozwija się dziś w wielu ośrodkach na świecie – w Stanach Zjednoczonych, Chinach, Niemczech i Holandii. Wspólnym kierunkiem jest uzyskanie z jednego pomiaru jak największej ilości informacji: szerokiego pola widzenia, dużej objętości pomiarowej i wysokiego kontrastu przy obrazowaniu próbek transparentnych. Szczególnym wyzwaniem pozostaje tomografia, czyli obrazowanie trójwymiarowe.

Dotychczasowy światowy rekord należał do zespołu prof. Aydogana Ozcana z UCLA, który zobrazował skrawek mózgu myszy o grubości 200 mikrometrów. Zespół z Politechniki Warszawskiej przesunął tę granicę do 500 mikrometrów, uwzględniając zjawisko wielokrotnego rozpraszania światła i cofając je numerycznie. Praca opisująca wynik została przyjęta do publikacji w czasopiśmie Light: Science & Applications.

Wybrane cytaty

Przewaga nad mikroskopem klasycznym

Klasyczne mikroskopy pozwalają obrazować pięć–dziesięć komórek, czyli mamy co najmniej dziesięć tysięcy razy większe pole widzenia. Lubię myśleć, że mamy z tego dwa plusy. Po pierwsze, zwiększamy prawdopodobieństwo, że coś ciekawego zobaczymy, bo obrazujemy wszystkie komórki. A druga sprawa jest taka, że obniżamy prawdopodobieństwo, że popełnimy jakiś błąd. Jeżeli patrzymy tylko na wycinek większej całości, to możemy bardzo łatwo wpaść w mylne wrażenie i źle ocenić sytuację.

Zastosowanie w diagnostyce

Najlepsze zastosowanie, które przychodzi mi do głowy, to pomoc w diagnostyce. (…) Pobieramy rozmaz, na przykład z tarczycy, mamy próbkę przygotowaną do badań, ale nie wiemy, czy jest diagnostyczna. Histopatolog dopiero musi ją wybarwić, zobaczyć i może powiedzieć, że biopsja została źle pobrana. A my, zanim to wszystko się odbędzie i stracimy cenny czas, szczególnie dla pacjentów onkologicznych, możemy szybko sprawdzić, czy preparat został dobrze pobrany.

Na początku jest ciekawość

(…) badania nad jadem jaszczurki doprowadziły do zmiany w leczeniu cukrzycy i w odchudzaniu ludzi. To się zaczęło zupełnie nie pod kątem produkcji leków. Ciekawość jest absolutnie najważniejsza i jest na początku każdego odkrycia. Żeby tę ciekawość zrealizować, potrzebne jest finansowanie. Narodowe Centrum Nauki jest w zasadzie jedynym w Polsce ciałem, które finansuje takie badania. Bardzo dobrze, że istnieje – chciałbym, żeby budżet NCN został zwiększony co najmniej dwukrotnie.

Czym jest NCN dla badaczy i badaczek?

Z finansowania Narodowego Centrum Nauki korzystam od PRELUDIUM, które pomógł mi napisać mój mentor, profesor Krzysztof Patorski. Granty OPUS i SONATA stanowiły absolutną podstawę do tego, żebym mógł w ogóle aplikować o grant ERC. Udało się go zdobyć dzięki doświadczeniu, które wcześniej zdobyłem, realizując granty NCN i budując zespół. Niezależność wynika z finansowania – bez programów NCN nie byłoby mnie w nauce.