Molekularny rzep to nic innego jak nowoczesny czujnik opracowany przez międzynarodowy zespół naukowców z Polski i z Tajlandii. Ma otwierać nowe perspektywy w diagnostyce jednej z przewlekłych chorób płuc – samoistnego zwłóknienia płuc. Urządzenie, działające na zasadzie specjalnego czujnika elektrochemicznego, umożliwia szybkie i skuteczne monitorowanie postępu tej śmiertelnej choroby, która dotychczas stanowiła ogromne wyzwanie diagnostyczne. Co ma wspólnego z… kuchennym wałkiem?
Spis treści
Przewlekłe choroby płuc jako ogromne wyzwanie dla medyków
Przewlekłe choroby płuc stawiają przed dzisiejszą medycyną ogromne wyzwania zwłaszcza w kontekście trafnej i szybkiej diagnozy. Pacjenci często borykają się z chorobą latami, zanim usłyszą poprawną diagnozę. Taki czas oczekiwania może być niebezpieczny, ale również niezwykle… nieprzyjemny. Wśród przykładowych i kluczowych objawów można wymienić duszności (które można pomylić z innymi schorzeniami) czy kaszel. To właśnie w tym kontekście polsko-tajwański zespół naukowy postanowił zmierzyć się z jednym z najbardziej tajemniczych i niebezpiecznych przewlekłych schorzeń płuc – samoistnym zwłóknieniem płuc (IPF).
Przewlekłe choroby płuc są nie lada wyzwaniem medycznym; na trafną diagnozę pacjenci często czekają latami. A wszystko przez to, że najczęstsze objawy, np. duszności, mogą być przypisane wielu schorzeniom, w tym chorobom płucnym czy sercowo-naczyniowym. Dlatego pacjenci mogą być błędnie zdiagnozowani, a przez to ich leczenie może być nieskuteczne.
Instytut Chemii Fizycznej PAN, cytowany przez naukawpolsce.pl.
Jak podaje serwis mp.pl samoistne zwłóknienie płuc, nazywane także idiopatycznym zwłóknieniem płuc (skrót. ang. IPF – idiopatic pulmonary fibrosis), jest szczególnie trudne do rozpoznania. Choroba prowadzi do stopniowego zwłóknienia płuc, co z kolei skutkuje postępującą utratą funkcji oddechowych i, w ostateczności, uduszeniem. Objawy, takie jak suchy kaszel i duszności, mogą być mylone z innymi chorobami układu oddechowego, co sprawia, że postawienie trafnej diagnozy jest wyjątkowo trudne.
Pomimo mocno rozwiniętej medycyny, dokładne przyczyny tej choroby wciąż nie są znane. W związku z tym istnieje pilna potrzeba opracowania skutecznych i szybkich metod diagnostyki, które pozwolą na identyfikację choroby na wcześniejszym etapie jej rozwoju. To właśnie w tym kontekście pojawia się innowacyjny molekularny rzep, czyli czujnik elektrochemiczny, opracowany przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie i Narodowego Uniwersytetu Kaohsiung na Tajwanie. Jego celem jest przyspieszenie i poprawa dokładności diagnozy przewlekłego zwłóknienia płuc. Badania opisano szczegółowo w naukowym czasopiśmie ACS Applied Nano Materials.
Diagnostyka samoistnego zwłóknienia płuc
Obecnie diagnoza samoistnego zwłóknienia płuc jest procesem kompleksowym, wymagającym zastosowania różnorodnych metod diagnostycznych. Rozpoczyna się od kontaktu z lekarzem, który przeprowadza szczegółowy wywiad z pacjentem oraz bada go. Następnie, aby uzyskać bardziej precyzyjne informacje, zleca szereg badań dodatkowych.
Jak podaje serwis mp.pl, pierwszym krokiem w diagnostyce jest zazwyczaj wykonanie rentgenowskiego badania klatki piersiowej (RTG), które pozwala na wstępną ocenę struktury płuc. Jednak ze względu na specyfikę samoistnego zwłóknienia płuc, często konieczne jest zastosowanie bardziej zaawansowanych technik, takich jak tomografia komputerowa wysokiej rozdzielczości (TKWR lub HRCT). To badanie umożliwia uwidocznienie subtelnych zmian, które mogą pozostać niewidoczne w tradycyjnym badaniu radiologicznym.
W dalszej fazie diagnostyki stosuje się badania czynnościowe, w tym ocenę zdolności dyfuzji gazów w płucach. Te testy są kluczowe, ponieważ pozwalają na wczesne wykrycie uszkodzeń płuc, które często są charakterystyczne dla IPF. Dodatkowo pacjent musi wykonać 6-minutowy marsz z oceną wymiany gazowej, który może dostarczyć istotnych informacji na temat funkcji oddechowej pacjenta.
W ramach końcowej diagnozy IPF wykonuje się badanie histopatologiczne, polegające na pobraniu wycinka z płuc w trakcie procedury operacyjnej. Jednak u niektórych pacjentów, z różnych przyczyn, wykonanie tego badania może być niemożliwe. W takich przypadkach diagnoza ustalana jest na podstawie specjalistycznych kryteriów, co podkreśla wyjątkowość i trudność w diagnozowaniu tego rodzaju przewlekłych chorób płuc.
Kolejny sposób diagnozowania to oznaczanie biomarkerów IPF. Znane jest przykładowo białko, którego zadaniem jest degradowanie zwłóknionego kolagenu, który odkłada się w drogach oddechowych. Mowa o metaloproteinazie macierzy-1 (skrót. MMP-1). Rola białka MMP-1 staje się kluczowym elementem w diagnostyce tej choroby. Do tej pory nie było skutecznego sposobu na śledzenie jego stężenia w płynach ustrojowych. Opisywane rozwiązanie ma być skutecznym i szybkim sposobem.
Tradycyjne metody oznaczania biomarkerów, takie jak testy ELISA, wykazują ograniczenia, szczególnie w przypadku precyzyjnego monitorowania stężeń białek w trudno dostępnych obszarach organizmu. Jak zwraca uwagę prof. Włodzimierz Kutner z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, przeprowadzone testy wykazały, że dokładność opracowanej przez naukowców metody przewyższa dokładność przeprowadzania badań za pomocą dostępnego handlowo testu ELISA.
Molekularny rzep jak wałek kuchenny
Z całą pewnością kojarzycie drewniane wałki ze żłobieniami lub wzorkami z różnymi motywami. Opisywany molekularny rzep, który stworzyli naukowcy z Polski i Tajwanu, kształtem przypomina to kuchenne narzędzie, stanowiąc jednocześnie przełom w diagnostyce przewlekłego zwłóknienia płuc. To oczywiście nie zwykły wałek, bowiem wykorzystuje on zaawansowane technologie, aby selektywnie identyfikować kluczowy, wspomniany biomarker tej śmiertelnej choroby.
Czujnik działa na zasadzie specjalnie zaprojektowanej metody molekularnego wdrukowania w matrycę polimeru (ang. MIP – Molrcularly Imprinted Polymer). Ta zaawansowana technika polega na tworzeniu warstwy MIP poprzez polimeryzację z roztworu monomeru funkcyjnego i sieciującego w obecności wdrukowywanego związku chemicznego, pełniącego rolę swoistego „szablonu”. Istotne jest, że ten etap procesu umożliwia stworzenie wnęk molekularnych w matrycy polimeru, które idealnie pasują do kształtu i rozmiaru wdrukowywanych cząsteczek, w tym przypadku wspomnianego biomarkera MMP-1.
Zastosowanie nowych materiałów rozpoznających anality w czujnikach elektrochemicznych może znacząco podwyższyć sprawność tych czujników i przyczynić się do wyjaśnienia mechanizmów wykrywania analitów. Podczas osadzania cienkiej warstwy MIP-u na elektrodzie ITO domieszkowaliśmy ją płatkami MoS2 o średnicy 0,6-1,5 μm. Domieszkowanie to przyczyniło się do dwukrotnego podwyższenia elektrochemicznego sygnału detekcji białkowego biomarkera MMP-1.
Dr hab. Piyush S. Sharma, Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie, cytowany przez stronę uczelnianą.
Podobnie jak wgłębienia w kuchennym wałku, te specyficzne wnęki molekularne są kluczowe dla czujnika. Jeśli biomarker MMP-1 znajduje się w badanej próbce, dokładnie wpasowuje się w te wnęki, przypominając moment, gdy na surowym i plastycznym cieście odbijają się świąteczne wzorki z wałka. Wałkując zaś w drugą stronę, przy niezmienionym ustawieniu wałka, każde z odbitych wzorków powinno idealnie skryć się lub przyczepić w przypisanym wyżłobieniu. Podobnie ma się nasz molekularny rzep. Jeśli dany biomarker nie jest obecny, nie zachodzi żadne zjawisko „przyczepiania się”, co stanowi istotny sygnał dla lekarzy diagnozujących przewlekłe choroby płuc.
Metoda molekularnego wdrukowania w matrycę polimeru pozwala na precyzyjne dostosowanie czujnika do rozpoznawania konkretnego biomarkera, co sprawia, że jest to technologia niezwykle obiecująca w dziedzinie diagnostyki medycznej. Badacze wierzą, że ta innowacyjna technologia może znacząco poprawić dokładność i skuteczność diagnozy przewlekłych chorób płuc, w tym samoistnego zwłóknienia płuc, otwierając nowe perspektywy dla szybszego i bardziej precyzyjnego leczenia pacjentów.
Perspektywy są obiecujące. Nie tylko w kontekście IPF
Opracowany nowoczesny czujnik elektrochemiczny, wykorzystujący technologię molekularnego wdrukowania w matrycę polimeru (MIP), nie tylko reprezentuje rewolucję w diagnostyce samoistnego zwłóknienia płuc (IPF), ale również obiecuje znaczące korzyści w identyfikacji różnych chorób, zwłaszcza o nieznanej etiologii, tak przynajmniej podają pełni wiary naukowcy z warszawskiego Instytutu. Metoda ta, dzięki precyzyjnemu dostosowaniu do specyficznych biomarkerów, może być dostosowana do różnych patologii, które do tej pory były trudne do jednoznacznego zidentyfikowania. To otwiera nowe możliwości w diagnostyce chorób, których mechanizmy rozwoju pozostają tajemnicą, przyczyniając się do skrócenia czasu oczekiwania na trafne diagnozy i leczenie.
Możliwość identyfikacji biomarkerów na wcześniejszych etapach chorób pozwoli na wczesne interwencje i leczenie dostosowane do konkretnych cech biologicznych pacjenta. To nowatorskie podejście do diagnostyki stawia krok w kierunku medycyny bardziej ukierunkowanej na potrzeby jednostki, co może znacznie poprawić efektywność terapii i minimalizować skutki uboczne.
Źródło: mp.pl, ich.edu.pl, zdjęcie otwierające: fot. Obraz wygenerowany przy pomocy DALL-E