Így segíthet a rák korai diagnosztizálásában Krausz Ferenc Nobel-díjas felfedezése
Hogyan lehet lézerekkel lesifotókat készíteni az elektronok ultragyors mozgásáról? És hogyan lehet ezeket a fontos alapkutatási eredményeket olyan társadalmi célok szolgálatába állítani, mint amillyen a rákbetegségek korai diagnosztikája.
Az idei év két magyar kutató számára is elképesztő sikert hozott: úttörő felfedezéseikkel elnyerték a tudományos világ legrangosabb elismerését, a Nobel-díjat. Míg azonban az orvosi-élettani kategóriában győztes Karikó Katalin eredményeinek gyakorlati jelentősége mostanra nyilvánvaló, a fizika területén díjazott Krausz Ferenc kutatásában rejlő potenciál nagyrészt még kiaknázás előtt áll.
A 2023-as fizikai Nobel-díjat az atomok és molekulák világában zajló folyamatok „gyorsfényképezéséért” ítélték oda Krausz Ferencnek és két francia kutatónak.
A Magyar Tudomány Ünnepe folyamán bemutatták, hogyan lehet lézerekkel lesifotókat készíteni az elektronok ultragyors mozgásáról, és hogy ezeket a fontos alapkutatási eredményeket miként lehet társadalmi célok szolgálatába állítani, például a rákbetegségek korai diagnosztikájának érdekében. Az előadásba konferenciahíváson keresztül Krausz Ferenc is bekapcsolódott.
Krausz Ferenc, az elektronok Nobel-díjas lesifotósa – Dombi Péter előadása
De mire jó mindez amellett, hogy kielégíti a kutatói kíváncsiságot?
Az egész világ atomokból és molekulákból épül fel. Ezeknek a kémiai reakciók során megváltozik az elektroneloszlása. Ha ezt a két dolgot tudjuk, és megértjük, akkor nem nehéz felismerni, mekkora jelentősége van annak, hogy nemsokára nemcsak matematikai modellezéssel, de közvetlenül, képi módszerekkel követni lehet az elektronok mozgását.
Sőt, az is elképzelhető, hogy a jövőben az attofizika segítségével akár valós időben ,,lefilmezhetünk” egy-egy lejátszódó reakciót, ami forradalmi változásokat hozha
- a kémiában
- az orvostudományban,
- illetve drasztikusan felgyorsíthatja az energetika és az információs technológia fejlődését.
Az ,,elektronkamerának” még csupán az alapjait fektette le Krausz Ferenc és csapata a németországi Max Planck Kvantumoptikai Kutatóintézetben, így ahhoz, hogy mindez megvalósuljon, további kutatásokra van szükség.
Nem ő azonban az egyetlen magyar tudós, aki kulcsfontosságú munkát végez a témában:
- Hazánkban 2014-ben kezdődtek el EU támogatásával létrejött Extreme Light Infrastructure (Extrém Fényinfrastruktúra, rövidítve ELI) kutatóhálózat attoszekundumos lézerekkel foglalkozó kutatóközpontja, az Attosecond Light Pulse Source (Attoszekundumos Fényimpulzus Forrás, rövidítve ALPS) kivitelezési munkálatai Szegeden.
- Az ELI-ALPS-on kívül egy másik, az attofizika egészségügyi alkalmazásaira specializálódott kutatóintézet is létrejött, ez is Krausz Ferenc vezetésével: a Molekuláris Ujjlenyomat Kutató Központ (CMF), amely nemrég elindította a H4H, azaz Health for Hungary – Hungary for Health programot. Ennek keretében egy olyan ultrarövid (femto- és attoszekundumos) impulzusú lézertechnológia fejlesztése zajlik, amely egy komplex orvosi diagnosztikai eljárás alapjául szolgál ma
Mi a molekuláris ujjlenyomat?
A projekt lényege, hogy a kutatók – a kísérleti fázisban lévő – lézeralapú mérőeszközökkel monitorozzák az önkéntesektől vett vérmintákat. A cél, hogy átfogó képet kapjanak a vérben lévő molekulák összességéről, illetve koncentrációjáról, azonosítva ezzel az ún. molekuláris ujjlenyomatot, amely a vizsgált személyek egyéni jellemzője.
A méréseket néhány havonta megismétlik, ellenőrizve, hogy történt-e bármi változás, és ha igen, felkutatják a mögöttes okot. Ahogy gyűlnek az adatok, a kutatók egyre pontosabb képet kapnak arról, hogy az egyes betegségek hogyan hatnak a vérképre.
Szemben a jelenleg használt diagnosztikai módszerekkel, amelyek egy-két marker alapján próbálják azonosítani a kóros elváltozásokat, a H4H-programban szimultán figyelik a vérben lévő összes molekulát. Ez azt jelenti, hogy ha a kísérletek sikeresnek bizonyulnak, a jövőben sokkal hamarabb és pontosabban detektálhatók lesznek a betegségre utaló jelek, figyelembe véve a páciensek szervezetének egyéni sajátosságait.
Személyre szabott orvoslás a nem is olyan távoli jövőben
A várhatóan tíz évig tartó kutatás és adatgyűjtés nagyban hozzájárul az ún. személyre szabott orvoslás megvalósulásához, amikor a modern vizsgálati módszerek elegendő adatot szolgáltatnak a beteg genetikai jellemzőiről az elváltozások gyors felismeréséhez és ahhoz, hogy az orvos nagy biztonsággal válassza ki a számára leghatékonyabb terápiát
Ehhez azonban nem csak a betegségek tüneteit kell felismerni, hanem az azokhoz vezető molekuláris és sejtszinten lejátszódó eseményeket is. Éppen ezért az attofizika ilyen irányú alkalmazása többek között a rákkutatás egy fontos állomása lehet, hiszen e rettegett kór túlélésnek legfontosabb feltétele a korai diagnózis
Határtalan lehetőségeket kínálunk a fiataloknak – interjú a Nobel-díjas Krausz Ferenccel
Nem sokkal a hír bejelentése után interjút adott az mta.hu-nak a Nobel-díjas fizikus. Krausz Ferencet a díjhoz vezető kutatásokról kérdezték, de beszélt felajánlásáról az ukrajnai háború károsultjai számára, a rák, a cukorbetegség és más egészségügyi problémák korai felismeréséről, valamint arról, hogy miért válassza egy fiatal kutató éppen az attoszekundumos fizika területét
Első nyilatkozataiból már tudjuk, hogy a Nobel-díj híre nagy meglepetésként érte, de vajon az attoszekundumos fizikusok közössége mennyire számított ilyen elismerésre?
– A Nobel Alapítvány néhány héttel ezelőtt szervezett ebben a témában egy Nobel-szimpóziumot, ami általában azt üzeni a közösségnek, hogy a szakterület – hogy úgy mondjam – elérte a fizikai Nobel-díj Bizottság ingerküszöbét. Az érdekesség azonban az, hogy ez az érdeklődés egyúttal szinte biztosan utal arra, hogy az adott évben nem ebben a témában ítélik oda az elismerést – a statisztikai átlag szerint ehhez még jó néhány évnek el kell telnie. Így nem számítottunk rá, annál is inkább, hogy a szimpóziumot augusztus végén tartották, és feltehetően alig több mint egy hónappal a bejelentés előtt a bizottság munkája már előrehaladott állapotban lehet.
Akkor még nagyobb lehetett a meglepetés. Mint ahogy a nagyközönség számára az is, hogy a díj összegének jelentős részét egy jótékonysági alapítványnak ajánlotta fel. A Science4People, ahogy az alapítvány honlapján láttam, az attoszekundumos közösség kezdeményezése. Mi motiválta erre őket?
– Az, hogy volt egy főnökük – rólam volna szó –, aki megkérte őket, hogy esetleg beszállnának-e, mivel Németországban a törvény szerint egy egyesület alapításához legalább hét ember kell. Úgyhogy kénytelen-kelletlen körbe kellett mennem a kollégák között, és elmondanom, miről lenne szó. A kollégák pedig, akik végül is csatlakoztak, a beszélgetést követően nagy örömmel és nagy motivációval tették ezt. Az egész onnan indult, hogy a CMF projektnek (Centre for Molecular Fingerprint – Molekuláris-Ujjlenyomat Kutató Központ) köszönhetően én már jó ideje rendszeresen járok Magyarországra. És hát Budapesten azért sokkal közelebb van az ukrajnai konfliktus, legalábbis én úgy éltem meg, ott egészen másképp jelent meg, mint Németországban – különösen az első időszakban, amikor naponta tízezrével áramlottak be a menekültek Ukrajnából. A híradások, a képek nagyon magukkal ragadtak, és elgondolkodtam, hogy személy szerint én mit tudnék tenni az ügyben. Először arra gondoltam, esetleg elmegyek segíteni a határra a menekültek fogadásában, de aztán láttam, hogy ezt csodálatosan megoldották a honfitársaim. Eszembe jutott, hogy talán többet tudok tenni a kapcsolatrendszeremen keresztül, és így jött az ötlet, hogy indítsak egy ilyen kezdeményezést, amelynek a keretében megpróbálom megszólítani az általam ismert tudományos közvéleményt adományokat kérve. Nemcsak pénzadományokat, hanem elektronikus készülékeket, számítógépeket, laptopokat is kapunk folyamatosan, amiket aztán továbbítunk, és amiket a barátaink Kárpátalján nagyon-nagyon jól tudnak használni különböző iskolákban, oktatási intézményekben. Kapcsolatba léptem ottani segélyszervezetekkel, köztük is elsősorban egy Tabula Rasa nevezetűvel. Ez a szervezet a fiatalok támogatására koncentrál, és velük szoros együttműködésben indítunk kifejezetten a fiatalabb gyerekekre összpontosító segélyprogramokat. A legaktuálisabb a SKOLA+ elnevezésű programunk, amely éppen az elmúlt héten indult: tanárokat, általános iskolai és középiskolai tanárokat rektrutálunk korrepetálásra, és fizetjük őket a mi projektünkből. Ők rászoruló menekült vagy helyi gyerekeket tanítanak – mind ukránokat, mind magyarokat, mind ukrán, mind pedig magyar nyelvű iskolákban. Nagy hangsúlyt fektetünk rá, hogy mindez ne úgy jelenjen meg, hogy kifejezetten csak a magyar kisebbséget támogatjuk, hanem általában mindazokat, akik a háború miatt erre rászorulnak. Úgy gondolom, ha ezt így tesszük, és ha ez előbb-utóbb látható méreteket ölt, akkor ez akár politikai szinten is jelzésértékű lehet. Két legutóbbi díjam, a tavalyi Wolf-díj és az idei Frontiers of Knowledge díj összegét – előbbit teljes egészében, utóbbit jelentős részben – felajánlottam az alapítványnak, és hasonlóan szeretnék a Nobel-díjjal kapcsolatban is eljárni.
A Nobel-díjhoz kiadott sajtóanyagot olvasva úgy tűnhet, mintha a három díjazott munkája egy történet egymásra épülő elemei lennének. Hogy néz ki mindez a kutató szemszögéből?
– A díjazottak kutatási tevékenysége egymásra épült, anélkül, hogy bármelyikükkel konkrét együttműködés alakult volna ki. Ez a szép a tudományban, úgy is profitálhatunk egymás munkájából, hogy ehhez közvetlen együttműködésre lenne szükség. Anne L’Huillier kutatásai már az 1980-as években elvezettek a magasrendű felharmonikusok keltéséhez. A mi munkánk is jelentős részben erre a felfedezésre épült, hiszen ezt a magasrendű felharmonikusgenerálási folyamatot használtuk ki végső soron attoszekundumos fényimpulzusok előállítására. A területnek már a 90-es évek elején voltak jelentős magyar szereplői, Tóth Csaba és Farkas Győző jelezték elsők között előre, hogy a magasrendű felharmonikusok attoszekundumos fényimpulzusokat eredményezhetnek. Ugyanakkor Paul Corkum elméleti munkái járultak a legnagyobb mértékben ahhoz, hogy tudatos kutatás induljon az attoszekundumos fényimpulzusok előállítása és mérése céljából. A kísérleti megvalósítás 2001-ig váratott magára. Pierre Agostini csoportja attoszekundumos impulzusvonulatokat generált és mért meg, ahol a generáló fény minden félperiódusában érkezett egy attoszekundumos impulzus. Ezzel csaknem egy időben közöltük a kísérleti bizonyítékot arra vonatkozóan, hogy egy rezgési ciklusból álló lézerimpulzussal izolált attoszekundumos ultraibolya impulzust lehet előállítani, illetve megmérni. Az első attoszekundumos fényvillanások, amelyek a Bécsi Műszaki Egyetemen láttak napvilágot, 650 attoszekundumos időtartamúak voltak.
Az említett eredmények több mint két évtizedesek. Hol tartunk azóta? Sikerült 650 attoszekundum alá is menni?
– Néhány évvel később, akkor már a Garchingi Max Planck Kvantumoptikai Intézetben sikerült 80 attoszekundumos impulzusokat előállítanunk, amelyekre még a Guinness is felfigyelt és oklevéllel jutalmazott. Azóta már nem él ez a rekord, Amerikába vándorolt, és jelenleg 50 attoszekundum környékén van, ami számunkra itt csöppet sem fájó, hiszen eszerint nem vagyunk egyedül ezen a területen, ami alapvetően örvendetes.
Magyarországon két attoszekundumos fizikával foglalkozó kutatóhely is működik: a szegedi ELI-ALPS lézeres kutatóközpont, valamint az Ön által vezetett Molekuláris-Ujjlenyomat Kutató Központ. Itt már születtek gyakorlati alkalmazások?
– Az ELI-ALPS tulajdonképpen egy olyan lézercentrum, amelyben az attoszekundumos fizika áll az abszolút középpontban, erre utal az Attosecond Light Pulse Source (’attoszekundumos fényimpulzusforrás’) névben szereplő rövidítése is. A három „extreme light infrastructure” (ELI) – Bukarest, Prága és Szeged – közül a szegedi épült kifejezetten azzal a céllal, hogy az attoszekundumos fizika témakörében kínáljon infrastruktúrát érdeklődő kutatóknak egész Európából, ideális esetben az egész világról, akik jöhetnek – és remélhetőleg jönni is fognak –, hogy ezekkel a berendezésekkel attoszekundumos fizikai kísérleteket végezzenek. Ez a díj visszajelzés a politika irányába is, hogy talán nem volt annyira rossz döntés ezt a centrumot létrehozni – ez egy olyan technológia, amiben van jövő, és ami további fontos felfedezések alapjául szolgálhat.
Mit lehet tudni a Molekuláris-Ujjlenyomat Kutató Központ munkájáról?
– Az orvosi alkalmazás területén nagyon biztató eredményeink vannak. Az utóbbi időben nyolc különféle rákfajtát néztünk már meg a molekuláris ujjlenyomat módszerével, és mind a nyolcra valamilyen szinten érzékeny. De Merkely Béla professzor úrral is van egy együttműködésünk, amelynek keretében első alkalommal tettünk egy kirándulást a szívkoszorúér-betegségek területére. Az első mérések azt jelzik, hogy erre a betegségre is érzékeny a módszer. Időközben azt is megtudtuk, hogy a cukorbetegségre, sőt, az ezt megelőző állapotra, a prediabéteszre is érzékeny. Ezen felismerések bátorítottak fel bennünket, hogy Magyarországon nagyobb fába vágjuk a fejszénket, és ne csak egyes betegségeket kezdjünk el vizsgálni, hogy érzékeny-e rájuk a módszer, vagy sem, hanem próbáljuk meg azt a kérdést megválaszolni, hogy a módszer alkalmazható-e esetleg egy széles körű egészségmegőrzési program alappilléreként, tulajdonképpen az egészségi állapot felügyeletére. Ennek során rendszeres vérvételből és az infravörös fényimpulzusokkal megmért molekuláris ujjlenyomatból megállapíthatnánk azt, hogy egy egészséges embernél milyen tartományban kell lennie ennek a nagy információtartalmú jelnek. Ezután folyamatosan figyelhetnénk, nyomon követhetnénk, hogy mikor lép ki ebből a személyre szabott referencia-normáltartományból, majd arra kellene bizonyítékokat találnunk, hogy amikor kilép, akkor az bizony már valamilyen krónikus megbetegedés előjele. A meggyőző bizonyítékok megszerzése hosszú (további 6-8 évig tartó) folyamat. Hálásak vagyunk a magyar kormánynak, hogy a nehéz gazdasági helyzet ellenére képes és hajlandó egy ilyen hosszú távú programot támogatni, és ezzel lehetővé tenni, hogy a jövő megelőző orvoslásának alapjait lerakjuk. Az egész világon elsőként Magyarországon.
A Nobel-díj is bizonyítja, hogy erre a tudományterületre érdemes odafigyelni. De mit tud ajánlani egy fiatalnak, egy középiskolásnak vagy egy BSc-képzésen részt vevő fizikushallgatónak, miért érdemes éppen ezt az irányt választania?
– Ez a kutatási terület rendkívül sokféle lehetőséget ígér. Megadja a lehetőséget azoknak is, akik inkább a számítógép mellett szeretnek dolgozni, és azon a területen szeretnék a képességeiket fejleszteni és kamatoztatni a tudásukat. Ugyanis a munkának igen fontos alapja az adattudomány – a mesterséges intelligencia, a gépi tanulás rendkívüli szerepet játszik ezen a területen. A molekuláris ujjlenyomat kutatása azok számára is vonzó lehet, akik az élettudományok iránt érdeklődnek. És persze nem utolsósorban azokat is várjuk, akik inkább technológiai berendezésekkel szeretnek foglalkozni a laborban, mert az általunk használt berendezések a lehető legmagasabb színvonalú elektronikát, optikát, lézertechnikát követelik meg ahhoz, hogy ezeket a méréseket a szükséges pontossággal és megbízhatósággal elvégezhessük. Határtalan kibontakozási lehetőségeket kínálunk a fiataloknak. Szeretettel várjuk őket!
Kövesse az Egészségkalauz cikkeit a Google Hírek-ben, a Facebook-on, az Instagramon vagy a Twitter-en is!
<KÖVETKEZŐ CIKK>
Karikó Katalin és Krausz Ferenc átvette a Nobel-díjat
