English version
České nanotechnologie patří ke světové špičce v mnoha oblastech. Ať už jde o čištění vody nebo vzduchu, výrobu rozložitelných bioplastů nebo produkci speciálních čoček. Svůj náskok v této oblasti zúročili čeští vědci také v medicíně, kde s pomocí miniaturních nanodiamantů pomáhají usnadnit včasné odhalení rakoviny a další závažných nemocí.
„Projekt jsme začali řešit před několika lety ve spolupráci mého týmu s týmem Martina Hrubého z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd České republiky. V té době jsem se už nějakou dobu zabýval výzkumem nepatrných krystalků diamantu, nanodiamantů. Společně s Martinem a dalším kolegou Janem Kučkou nás napadlo, že bychom se mohli pokusit inovativním způsobem zpřístupnit jejich využití v biomedicinálních oborech,“ popisuje vznik metody Petr Cígler, vedoucí týmu Syntetická nanochemie z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR.
Nanodiamanty pro tyto účely musejí být fluorescenční, tedy přeměňovat světlo o jedné barvě na barvu jinou. „Tenkrát byl ale takový materiál jen velice obtížně dostupný, nedal se ani koupit. Uvažovali jsme, jakým způsobem bychom ho mohli jednoduše a finančně únosně připravit ve větším množství,“ pokračuje Petr Cígler. On i jeho kolega Martin Hrubý přitom mohli navazovat na své dlouhodobé zkušenosti z oboru.
Oba se věnují nanotechnologii a jejich aplikacím od dob svých doktorandských studií. „Zároveň nás ale každého zajímá poněkud odlišný přístup. Martin je především polymerní chemik, já jsem syntetik a analytik. Přesto, že se naše zkušenosti do jisté míry překrývají, funguje mezi námi komplementarita nápadů a způsobů řešení,“ pochvaluje si Petr Cígler.
V době, kdy začali čeští vědci na projektu pracovat, se u nanodiamantů nepředpokládalo tolik možnosti použití, jako mají dnes. „Tehdy to byly ‚jen‘ unikátní a netoxické fluorescenční nanočástice s nezvykle vysokou stabilitou při ozáření laserem. To nejzajímavější ale přišlo o několik let později. Naši kolegové zjistili, jakým způsobem se dá opticky manipulovat s jejich kvantovými vlastnostmi, což otevřelo možnosti pro zcela nové koncepty různých senzorů a také potenciální použití pro takzvanou hyperpolarizaci,“ upozorňuje Petr Cígler.
Výrazně rychleji a levněji
Tento postup v současnosti výrazně zlepšuje možnosti vyšetření magnetickou rezonancí. Přístroje pro hyperpolarizaci jsou ale drahé a mohou si je dovoIit jen na vysoce specializovaných klinikách. Vědci proto hledají nové přístupy vedoucí k hyperpolarizaci snadnější cestou. Jednou z možností je využití fluorescenčních nanodiamantů pro přenost hyperpolarizace u kontrastních látek. Vše je zatím ve fázi experimentů, ale na prototypech nových hyperpolarizátorů se ve světě intenzivně pracuje.
Kromě nesnadné konstrukce přístrojů měla ale metoda až do nedávna další limit – omezenou dostupnost fluorescenčních nanodiamantů. Potřebná úprava krystalů je totiž pomalá a drahá, takže gram nanodiamantů vyrobený v urychlovači částic stojí nejméně desetitisíce korun. „My jsme ovšem mezitím průběžně pracovali na metodách vedoucích k vytváření fluorescence v nanodiamantech a také jejich povrchové modifikaci. Tedy k jakémusi balení do průsvitných polymerních obalů, které usnadňují i usměrňují pohyb nanodiamantů v biologickém prostředí,“ konstatuje Petr Cígler.
Pozornost tým českých vědců nedávno vzbudil především svojí metodou umožňující až tisíckrát rychleji a levněji připravit velká množství fluorescenčních nanodiamantů. „Materiál, který byl dosud dostupný jen v miligramových množstvích, jsme začali připravovat po desítkách gramů,“ porovnává Petr Cígler.
Cesta k převratnému objevu přitom nebyla lehká. „Nejtěžší asi bylo udržet pořád správný směr výzkumu, překonat opakované neúspěchy. A také publikovat výsledky v prestižním časopise Nature Communications, jehož recenzenti nás nechali natřikrát doplňovat další a další data, dokud jsme je nepřesvědčili, že metoda produkuje srovnatelně kvalitní částice jako ostatní techniky. Stále tomu nemohli uvěřit a studenti a spolupracovníci dělali další a další experimenty,“ usmívá se s odstupem Petr Cígler. Výzkum také trval podstatně déle, než vědci na počátku čekali. Mezitím se například různě proměňovaly týmy a na projektu pracovalo více a více spolupracovníků.
Kvalitnější vyšetření
To, zda si převratná metoda českých vědců nakonec najde cestu do praxe, nechce Petr Cígler předpovídat. Její potenciál je ale obrovský v mnoha oblastech. „Jedna z aplikací, kam by mohly významně zasáhnout, se týká zmiňované hyperpolarizace. Ročně na světě proběhnou desítky milionů vyšetření pacientů pomocí magnetické rezonance. Pro některá vyšetření rakoviny jsou potřeba kontrastní látky ve zvláštním stavu, kterému se říká hyperpolarizovaný. Ty jsou však omezeně dostupné kvůli různým nesnázím v jejich přípravě. Zde by naše nanodiamanty mohly pomoci: těsně před vpichem do pacientova těla by se pomocí nich levně a rychle změnilo jejich magnetické chování kontrastní látky a magnetická rezonance by je pak mohla ‚přečíst‘ uvnitř těla,“ popisuje Petr Cígler jednu z možností využití metody v praxi.
V současnosti jeho tým téma hyperpolarizace pomocí nanodiamantů rozvíjí v rámci evropského projektu Quantera, mimo jiné ve spolupráci s jednou německou firmou. „Pokud se firmě podaří uspět v konstrukci nového hyperpolarizačního zařízení, právě zde by mohla sehrát klíčovou roli naše metoda, která je, pokud vím, dosud jedinou cestou vedoucí k přípravě stovek gramů fluorescenčních nanodiamantů za jediný den. Bez takového množství by se průmyslová výroba zařízení asi jen těžko obešla,“ konstatuje Petr Cígler.
Nanomateriálům se budeme věnovat také do budoucna. Pracujeme na projektech zaměřených na pochopení interakcí nanočástic s biologickým prostředím a také na možnosti jejich dálkového ovládání. „Zajímají nás především metody velmi přesného zobrazování procesů v buňkách pomocí nanočástic, konstrukce bionanosenzorů, ale také některé nové terapeutické postupy využívající vlastností nanočástic,“ uzavírá Petr Cígler.
Dalibor Dostál
