A vérmintákban lévő molekuláris ujjlenyomatok alapján történő betegségek kimutatásához a CMF alapvető technológiája az elektromos mező-bontott („field-resolved”) infravörös spektroszkópia. A technológia rendkívül rövid infravörös impulzusok generálására támaszkodik nemlineáris lézertechnikával a mintában lévő molekulák gerjesztésére, amelyet a molekuláris válasz csengésének rögzítése követ. A betegség észlelésének érzékenysége az infravörös lézerimpulzusok fényerejétől és spektrális információtartalmuktól függ, vagyis attól, hogy az infravörös impulzusok hány különböző molekuláris rezgést képesek egyszerre gerjeszteni. A fényerő és spektrális tartalom erősítéséhez a lézerrendszerek bonyolultságának és méretének növelésére van szükség, míg végül a bevett felskálázási módszerek elérik az érintett nemlineáris konverziós folyamatok határait.

A CMF, az LMU és a Max-Planck Kvantumoptikai Intézet együttműködésében Dr. Shizhen Qu, Dr. Kafai Mak, Dr. Alexander Weigel és Prof. Krausz Ferenc elegáns megoldást javasolt arra, hogy az infravörös impulzusokat kvantum kaszkád lézerekkel erősítsék (QCLs). A QCL-ek kompakt, “on-the-chip” lézereszközök, amelyek közvetlen elektromos áramellátással képesek elérni a Watt-nagyságrendű infravörös optikai kimenetet - sokkal többet, mint amit általában nemlineáris technikákkal lehet elérni. A találmány lényege, hogy az ultrarövid infravörös impulzust QCL-ek sorozatán átvezetve megerősítjük, így korábban elérhetetlen energiaszintet érünk el. A QCL-ek emissziós jellemzői félvezető rétegszerkezetükkel testreszabhatók, így a jellegzetes ujjlenyomat-mintázatokat gerjesztő spektrumkomponensek felerősíthetők. Azáltal, hogy a pulzusnak szelektíven csak azon részeit erősítjük, amelyek hozzájárulnak a betegség-specifikus ujjlenyomatokhoz, a QCL-ek kombinációjával várhatóan magasabb érzékenységet érhetünk el. Megfelelő időzítéssel elképzelhető maga a tiszta molekuláris ujjlenyomat-jel erősítése is.

Ez az első közös szabadalmi bejelentés bizonyítéka a három intézmény sikeres együttműködésének a betegségek rendkívül érzékeny véralapú felderítése és az állapotfigyelés terén.

Kutatók ezrei keresik a módját annak, hogyan lehet az emberi egészséget egy egyszerű, rutinszerű eljárás segítségével teljeskörűen felmérni. Miért? Mert minden ember teljesen egyedi - személyiségében és egészségi állapotában egyaránt. Az egészség meghatározása népesség szintjén óriási feladat. Ennek tükrében kulcsfontosságú az egészségügyi rendellenességek mielőbbi felismerése, hogy jelezni lehessen azt, ha egy betegség megjelenik az ember testében. Sok betegség sikeresebben kezelhető lenne, ha korábban, még azok kialakulási fázisaiban, figyelmeztetést kaphatnánk. Kiváltképp igaz ez a rákos megbetegedések esetében. Ebben kaphatnak szerepet a betegségek felismerésének kevésbé invazív módjai.

A müncheni LMU lézerfizikai tanszék interdiszciplináris csapatában úgy gondoljuk, hogy sikerült ebbe az irányba lépéseket tennünk és a vért, mint a teljes szervezetünket átjáró összekötő folyadékot, elemeztük. Ez a megközelítés bárki számára ismerős lehet az orvosi vizsgálatokon szerzett tapasztalatok alapján, azonban a vér nemrégiben már a legmodernebb, fehérje-és metabolitok analízisén alapuló vizsgálatok célkeresztjébe is bekerült. Ebbe a sorba csatlakozott saját kutatásunk, amely során infravörös fénnyel vizsgáltunk meg kis mennyiségű vért és rögzítettük az oldható biomolekulákból származó rezgéseket. Az LMU Tüdőgyógyászati Központ orvosaival együttműködve klinikai vizsgálatot indítottunk tüdőrákkal diagnosztizáltak egyének, és ezzel párhuzamosan egészséges állapotú, összehasonlításra alkalmas egyének vérének összegyűjtésére. Vérmintáikat infravörös spektroszkópiával analizáltuk és adatelemzést követően már egy apró csepp vérből is sikerült magabiztosan megkülönböztetnünk, hogy az illető a tüdőrákos vagy az egészséges csoportba tartozott-e.

Heuréka? Nos, mi ennél is tovább szeretnénk jutni. Bár az infravörös ujjlenyomatok megkülönböztethetik a tüdőrákot, de még nem adnak megfelelő képet a különbséget alkotó egyes vérkomponensekről. Mindemellett jó lenne megismerni identitásukat, hogy tovább lehessen fejleszteni ezt a módszert. Legújabb tanulmányunkban erre mutatunk be egy megbízható lehetőséget, amelyet nemrég publikáltak a Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.202103272) lapban. Két különféle módszer kombinációjáról van szó, amelyeket ritkán alkalmaznak együtt: tömegspektrometria és infravörös spektroszkópia. A célunk a tényleges kémiai változások dekódolása volt azok mögött a sejtelmes infravörös ujjlenyomatok mögött, amelyeket a fent említett klinikai vizsgálatban észleltünk. A müncheni Max Planck Biokémiai Intézetben vérminták tömegspektrometrikus elemzését követően azonosítottunk 12 olyan fehérjecsoportot, amelyek nagy valószínűséggel hozzájárultak a tüdőrákra jellemző infravörös ujjlenyomat kialakításához. Ez azért is kiemelten fontos eredmény, mert tüdőrákok esetében jelenleg nincsenek megbízható, vérből mérhető biomarkerek. Érdekes, hogy ezek a fehérjék már régóta ismertek voltak, most viszont átértékelődött a szerepük, hiszen az általunk definiált kombinatorikus fehérje-aláírás új korszakot nyit a diagnosztikai módszerek területén, ezzel lehetőséget teremtve a fehérje-aláírás infravörös fény segítségével percek alatt történő bemérésére.

Egy újabb lépéssel közelebb kerültünk volna a betegségek felfedezéséhez és az egészséges állapot meghatározásához? Igen! Csapatunk lézertudósai újabb és újabb módszereket dolgoznak ki annak érdekében, hogy a spektroszkópiai vizsgálatokhoz egyre rövidebb és pontosabb fényimpulzusokat biztosíthassanak. Átvitt értelemben az egész egy nagyítóhoz hasonlítható, amely által lehetővé válik számunkra, hogy egyszerre vizsgáljuk meg a vérünkben egyszerre nyüzsgő molekuláris tárházat, mintha csak egy pillanatképet vennénk fel róla. Eredményeink más egyéb tudományágak számára is jelentőséggel bírnak, illetve megállapításainkat alkalmazhatjuk más a vérben nyomot hagyó betegségek kimutatására.

Miközben az emberi egészség megőrzésének fejlesztésén dolgozunk azáltal, hogy fényt sugározunk a vércseppeken keresztül, szem előtt tartjuk Isaak Newton gondolatát: „Tudásunk egy csepp. Amit nem tudunk, az egy egész óceán.”

Mihaela Zigman

Eredeti cikk:
Angew Chem Int. Ed Engl
A véralapú infravörös spektroszkópos ujjlenyomatok molekuláris eredete
Liudmila Voronina, Cristina Leonardo, Johannes B Mueller-Reif, Philipp E Geyer, Marinus Huber, Michael Trubetskov, Kosmas V Kepesidis, Jürgen Behr, Matthias Mann, Krausz Ferenc, Mihaela Žigman
PMID: 33881784
DOI: 10.1002 / anie.202103272

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202103272
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202107126

A világjárvány okozta hosszú szünet után először nyílt lehetőség élőben, személyes előadásra és beszélgetésre május 28-án Bécsben Krausz Ferenccel. Különleges esemény volt. Bécs nemcsak az attoszekundumos tudomány szempontjából jelentős város, hanem fontos hely Krausz Ferenc magyar-osztrák tudós számára is, aki korábban hosszú évekig itt dolgozott. Ezen a napon az Osztrák Tudományos Akadémia (OeAW) tartotta meg 2021-es évi ünnepi kongresszusát neves tudósok részvételével. Az eseményen Krausz Ferencet keynote előadóként üdvözölték a konferencia házigazdái, Anton Zeilinger, az OeAW elnöke, valamint Alexander Van der Bellen osztrák elnök.

Aki szeretné megnézni az előadást és szívesen megismerkedne Krausz Ferenc és csapatainak (CMF, LMU, MPQ) eredményeivel is, megnézheti itt a videót: https://youtu.be/4dQn4fe33hc

Az inspiráló előadás után az osztrák média - és hírszolgáltató (ORF) interjút is készített Krausz Ferenccel. Robert Czepel újságíró interjújából megtudhatjátok, mi is történt pontosan közel 20 évvel ezelőtt a TU bécsi laboratóriumában: https://science.orf.at/stories/3206849/

A címben olvasható mondat nemcsak metaforikusan de szó szerint is helytálló, hiszen a müncheni Ludwig Maximillians Tudományegyetem (LMU) és a Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) kutatói a Nature Communications folyóirat hasábjain újabb áttörésről számoltak be az egyszerű vérvételt követő személyre szabott diagnosztikai eljárásuk fejlesztésével kapcsolatban.

Az egészséges önkéntesek részvételével végzett tanulmányban bebizonyosodott, hogy a néhány csepp vérből végzett molekuláris-ujjlenyomat vizsgálat hosszú távon is stabil, azaz ismételt mérések esetén az idő előre-haladtával is megbízható eredményeket ad. A vérplazma összetétele alapján sikerült meghatározni minden résztvevő számára az őt jellemző egyedi molekuláris-ujjlenyomatot, amely nemcsak különböző egyének között, hanem egy adott egyén korábbi eredményeivel is jól összehasonlíthatónak, informatívnak bizonyult. A fizikusokból, molekuláris biológusokból és orvosokból álló sokszínű csapatnak ez az első olyan közleménye, amely egészséges résztvevők eredményein alapszik, illetve amelyben az eljárás hosszú-távú alkalmazhatóságáról tesznek tanúbizonyságot. A vérminták elemzése Fourier-transformációs infravörös spektroszkópiai méréseken alapult, amely napjainkban a legalapvetőbb eljárás biológiai folyadékok analizálására.

A tanulmány vezető szerzői, Dr. Mihaela Žigman (aki a frappánsan BIRD-nek nevezett-Broadband InfraRed Diagnostics-munkacsoport vezetője), Prof. Dr. Nadia Harbeck (az LMU-n működő klinika kutatója) és Prof. Dr. Krausz Ferenc (az MPQ Lézerfizikai Intézetének Vezetője) szerint ezzel a publikációval hatalmas lépést tettek a végső küldetés, azaz a személyre szabott egészség-monitorozás felé. Ugyanis ahhoz, hogy egy betegséget még annak előszobájába lépve felismerhessenek az eljárás segítségével, először behatóan ismerni kell az egészséges állapotra jellemző, de életmódtól és demográfiai jellemzőktől függően dinamikusan változó egyedi molekuláris-ujjlenyomatot, majd az ettől való eltéréseket figyelembe véve tudják hatékonyan segíteni a klinikai diagnosztikát.

Eredeti publikáció:
Huber, M., Kepesidis, K.V., Voronina, L. et al. Stability of person-specific blood-based infrared molecular fingerprints opens up prospects for health monitoring. Nat Commun 12, 1511 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21668-5
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21668-5
További információ elérhető:
Dr. Mihaela Žigman
Ludwig-Maximilians-University Munich
Am Coulombwall 1
85748 Garching, Germany.
E-Mail: zigman@mukkozpont.hu.

A CMF küldetése, hogy molekuláris ujjlenyomat vizsgálattal fel lehessen ismerni a betegségek első jeleit, illetve monitorozni lehessen az egészséges állapotot. Álmunk valóra váltásához még számos technológiai kihívással kell szembenéznünk, és a budapesti lézer-laboratórium megalapításához elengedhetetlen egy szakmailag felkészült csapat, hogy elindulhassunk a tudományos kutatás által gerjesztett technológiai fejlődés útján.

Mindezek alapja a középinfravörös lézerforrás optimális fejlesztése, tökéletesítése, amely során mintakezelési és detektálási technológiák fejlesztésén keresztül az optimális adatgyűjtési és feldolgozási stratégiák elérése felé haladunk.

Az elmúlt néhány hónapban egy új csapat alakult a CMF-nél, melynek küldetése, hogy szembenézzen ezekkel a lézer-technológiai kihívásokkal és hatékony megoldásokat keressen rájuk. Ennek elősegítésére a CMF Németországban lévő csapata az LMU-ban dolgozó lézertudósokkal együtt azon dolgozik, hogy az általuk elért technológiai vívmányokat egyetlen ujjlenyomat készítő prototípusban egyesítse. Ezután az áttörés után a CMF lézer laboratóriuma megnyitja kapuit Budapesten, ahol ez az eszköz fogja forradalmasítani azt a folyamatot, melynek eredményeképpen a vérmintákat professzionális szinten lehet elemezni.

A Dr. Alexander Weigel által vezetett CMF csapat teljes erőbedobással azon dolgozik, hogy napról-napra közelebb kerüljön a kitűzött célhoz, és áttörő sikert érjen el a kutatásban.

Szeretettel köszöntjük új kollégánkat, Zóka Violát, aki 2020 októberében csatlakozott a Dr. Mihaela Zigman által vezetett kutatócsoporthoz és orvos-diagnosztikai laboratóriumi asszisztensként támogatja és erősíti csapatunkat, eddig megszerzett széleskörű tapasztalatával.

A fiatal magyar hölgy a Pécsi Tudományegyetemen szerezte vegyészdiplomáját és már az egyetemi éveket megelőzően kialakult benne a kémia iránti szenvedély, amely még inkább felerősödött első munkahelyén, a nagykanizsai székhelyű, környezetbarát vízkezelésű technológiákat fejlesztő Hidrofil Kft-nél. Az itt töltött időszak alatt vízminták minőségi-és mennyiségi elemzésével foglalkozott, miközben egy sor korszerű analitikai kémiai módszert sajátított el.

Röviddel azután, hogy Viola először hallott az infravörös molekuláris ujjlenyomat technikáról, felismerte, hogy ez a módszer az emberi vérminták sokkal kifinomultabb, részletesebb elemzését teszi lehetővé mint az általa eddig ismert egyéb, kémiai tulajdonságokon alapuló diagnosztikai módszerek. Szeretett volna úttörő munkánk részesévé válni, így megpályázott egy pozíciót a CMF budapesti irodájába. Mivel a CMF saját lézeres-diagnosztikai laboratóriuma még kialakítás alatt áll és a társaság szoros együttműködésben áll a Ludwig Maximilians Egyetem (LMU) Lézerfizikai Intézetével, Viola szívesen költözött egy időre Németországba, ahol a Garching-ban lévő kutatóintézetben folytatja szakmai karrierjét, valamint onnan támogatja a CMF által kitűzött kutatási célokat.

Jelenleg egy lézer kutatókból és molekuláris biológusokból álló sokszínű csapatban dolgozik, ahol lehetősége nyílik infravörös szpektroszkópia segítségével elemezni emberi vérminták molekuláris összetételét – egy olyan áttörésre várva, amely mindannyiunk életét megváltoztathatja!

A CMF stratégiai partnere, a müncheni Ludwig-Maximilians Egyetem (LMU) felépített egy automatikus biobank rendszert a minták mínusz 150 °C alatti hőmérsékleten történő tárolására. Ez mire jó? Ilyen rendkívül alacsony hőmérsékleten – úgynevezett „kriogén” körülmények között, közvetlenül folyékony nitrogén fölött – az emberi mintákat, például vérplazmát vagy bármilyen biológiai szövetet több évtizeden keresztül lehet tárolni a minták romlása nélkül. A rendszer biztosítja, hogy a klinikai vizsgálatok során összegyűjtött értékes, emberi eredetű minták hosszú távon felhasználhatók legyenek, és ezáltal lehetővé teszi a kutatók számára, hogy ezeket a leghatékonyabban tudják analizálni molekuláris ujjlenyomat-technikákkal. Egy ilyen automata kriogén rendszer egy nagy, szorosan lezárt tartályból áll, amely akár 60 000 minta tárolására képes. A rendszer fel van szerelve egy robotkarral is, amely automatikusan képes a mintacsövek egyenkénti kiemelésére, úgy, hogy a mintákat a folyamat során mínusz 100 °C alatt tartsák és kezeljék. Ennek a rendszernek a telepítése közvetlen hatással van a CMF-LMU közös kutatási céljainak megvalósulására. Egyrészről a két intézmény közös klinikai vizsgálatokat fog végezni, másrészt pedig az LMU biobanki rendszere mintapéldául szolgál a CMF által tervezett biobankhoz is, amelynek installációja Budapesten várható. Ezáltal a CMF a legértékesebb biológiai minták tárolásának legjobb módját valósítja meg az elkövetkező kutatási években!

A Ludwig Maximilian Egyetem (München), a Max Planck Kvantumoptikai Intézet (Garching), a King Saud University (Rijád), valamint a Molekuláris Ujjlenyomat Vizsgáló Központ (Budapest) közötti együttműködés keretében egy olyan molekuláris spektroszkópiai technológiát fejlesztettünk ki, amellyel átléphetők a hagyományos infravörös spektroszkópia régóta tapasztalható korlátai, melyről egy friss publikációban adtunk hírt. Egy nagy teljesítményű femtoszekundumos lézer másodpercenként 28 millió precízen ismétlődő infravörös hullámvonulatot generál, amelyek csupán néhány oszcillációs ciklusból állnak. A kontrollált ultra-rövid infravörös fényvillanások pillanatszerűen rezgésbe hozzák a vizsgált minta molekuláit. A sajátfrekvenciáikon rezgő molekulák a gerjesztő fényimpulzus mögött infravörös hullámokat bocsátanak ki, amelyek összege „ujjlenyomat”-szerű információt szolgáltat a minta molekuláris összetételéről.

A hagyományos spektroszkópiákkal ellentétben, amelyeknél a mintának az infravörös gerjesztésre adott teljes válasza (benne magával a gerjesztő fényhullámmal) éri a detektort, az új spektroszkópiai eljárás, field-resolved spectroscopy, képes a rezgő molekulák által kibocsátott jel közvetlen detektálására, a gerjesztéstől elkülönítve. Ez jelentősen mérsékli a korábbi eljárásoknál jelenlévő (zajos) infravörös hátteret. Ennek köszönhetően páratlan kimutatási érzékenységet és dinamikus tartományt eredményez.

Az új eljárás első biológiai alkalmazásai messze túlmutatnak a legkorszerűbb infravörös vibrációs spektroszkópiák lehetőségein. Ide tartoznak az élő biológiai szövet átvilágításával történő mérések és a folyékony biopsziákra alkalmazott szub-µg/ml-érzékenységű fingerprinting eljárás. Az új technika tökéletesebb molekuláris érzékenységet és molekuláris lefedettséget ígér az összetett, valós biológiai és orvosi környezetben végzett mérésekhez.

A budapesti Eötvös Lóránd Fizikai Társulat Krausz Ferenc professzort tiszteletbeli tagjává választotta. A díj átvételét követően a Müncheni Ludwig-Maximilians Egyetem és Max Planck Kvantumoptikai Intézet lézer-fizikusa előadást tartott arról, hogy az attoszekundumos technológiák hogyan alakíthatják a jövőben bizonyos molekulák azonosítását az emberi testfolyadékokban, például vérben. Ez újfajta orvosi alkalmazások sorát alapozhatja meg, amelyek az úgynevezett molekuláris ujjlenyomat elemzésével, impulzusszerű lézerfénnyel való megvilágítás során ismernek fel betegségeket.