9. COMPAMED Jarní fórum nabízí ochutnávku trendových témat před akcí COMPAMED 2015

Světlo je v medicíně již mnoho let nepostradatelným nástrojem. Fotonické metody jsou dnes nedílnou součástí endoskopie, laserové chirurgie, systémů Lab-on-a-Chip, biomedicínských optosenzorů a dalších oblastí. V tomto kontextu se konalo 9. COMPAMED Jarní fórum (7. května ve Frankfurtu nad Mohanem), které pořádá veletrh Düsseldorf ve spolupráci s odborným sdružením Mikrotechnologie IVAM, letos pod tématem „Světelný záblesk pro zdravotnickou techniku – fotonické aplikace pro diagnostiku a léčebné postupy“ a poskytlo tak první náhled na trendy veletrhu COMPAMED 2015 v Düsseldorfu. Největší mezinárodní odborný veletrh pro dodavatele zdravotnické techniky s více než 700 vystavovateli se koná od 16. do 19. listopadu poprvé po celý čtyřdenní termín paralelně s největším světovým veletrhem medicíny MEDICA 2015 (přibližně 4 800 vystavovatelů) a od nynějška vždy v nových dnech od pondělí do čtvrtka.

Oblasti použití moderních laserů se stále rozšiřují. Lasery řezou mnohem přesněji než jakékoli skalpel, navíc jsou schopny svázat tkáň. Často jsou také volbou při odstraňování kamenů v těle. Při řezání a odstraňování měkkých tkání jsou lasery navíc lepší než technologie jako proud nebo zvukové vlny. Fotonika zaznamenala významné pokroky při minimálně invazivních operacích. Endoskopie, pohled do těla pomocí vhodných nástrojů, se již léta úspěšně používá a neustále optimalizuje. Klíčové faktory jsou zlepšení světelných zdrojů, vedení světla a kamerových systémů, které umožňují operace být stále šetrnější, rychlejší a přesnější.

Medicína vkládá velké naděje také do přímého pohledu do buňky. Cílem je pochopit a prokázat biologické procesy na molekulární nebo buněčné úrovni. To nabízí šanci na včasné odhalení nemocí, lepší diagnostiku a cílenější léčbu – mimo jiné i metodou včasného odhalení rakoviny. S fluorescenčním mikroskopem, který vyvinul německý Max-Planckův vědec Stefan Hell, je rozlišení nyní tak vysoké, že jsou viditelné jednotlivé molekuly. Hell získal za své průkopnické práce na superrozlišujícím fluorescenčním mikroskopu společně s americkými kolegy Ericem Betzigem a Williamem Moernerem Nobelovu cenu za chemii v roce 2014 – což je také ocenění za „nástroj světlo“ v medicíně.

Není pochyb o tom, že biophotonika, laserové aplikace a mikrooptika stále více pronikají do zdravotnické techniky, protože tyto metody jsou obzvlášť bezpečné a šetrné k pacientům. Ve svém hlavním projevu „Beyond White Light – Nové zobrazovací modality pro zlepšení diagnostiky a léčby v minimálně invazivní chirurgii“ informoval Thorsten Jürgens, koordinátor technologického vývoje ve společnosti Olympus Surgical Technologies Europe, na COMPAMED Jarním fóru o nových zobrazovacích metodách, které výrazně zlepšují možnosti mikrochirurgie. Například s technologií Narrow Band Imaging (NBI) je možné rozpoznat jemné struktury a kapilární vzory na povrchu sliznice. Lidské tkáně velmi dobře pohlcují krátkovlnné světlo, které je zde využíváno. Tato vlastnost je úspěšně využívána NBI a poskytuje dodatečné informace, které nelze získat běžným endoskopickým obrazem. Filtr vytváří dva spektra o šířce 60 nanometrů v rozsahu vlnových délek 415 nm (modré světlo) a 540 nm (zelené světlo). Díky absorpční charakteristice hemoglobinu je zvýšen kontrast krevních cév. Různé hloubky průniku modrého a zeleného světla umožňují určit anatomickou vrstvu, ve které se krevní céva nachází.

Velmi slibná je také fotodynamická diagnostika (PDD), která dokáže in vivo rozpoznat specifické nádory a již se používá v dermatologii a urologii. Nejprve je aplikován fotosenzibilizátor, který se selektivně hromadí v nebo na nádorových buňkách. Při ozáření světlem jsou barviva rozsvícena fluorescencí, vyzařované světlo je poté detekováno. Používají se širokopásmové xenonové zdroje světla, jejichž spektrum je pomocí filtrů rozděleno na potřebné vlnové délky. V posledních letech byly vyvinuty nové a specifické barviva. „NBI a PDD jsou již běžně používány v klinické péči. V budoucnu budou alternativní barviva umožňovat cílené označení rizikových struktur a onemocnění,“ vysvětluje Thorsten Jürgens.

Funkcionalizované nanošpendlíky pro včasné odhalení rakoviny

Hned několik fotonických platforem vyvíjí rakouský Institut technologií (AIT) ve Vídni, největší ne-univerzitní výzkumné zařízení v Rakousku. Například je AIT zapojen do projektu NAMDIATREAM (Nanotechnologické nástroje pro vícestupňovou diagnostiku nemocí a sledování léčby), který je financován EU a má přispět k včasnému odhalování rakoviny na základě nanotechnologie. AIT, který vlastní patent na inovativní imunodiagnostiku, vytvořil funkcionalizované jádrové a obalové nanošpendlíky, které jsou v použití extrémně jednoduché: „Už v sanitce lze provést měření ze slinného vzorku pacienta, což je nejlepší médium pro použití v místě péče,“ vysvětluje Dr. Giorgio C. Mutinati z AIT. Metoda je založena na optických změnách rotační dynamiky magnetických nanošpendlíků, které mají magnetické jádro a obal z drahého kovu. Speciální molekuly ze vzorku se vážou na nanočástice a tím měřitelně mění jejich fyzikální vlastnosti. Metoda má mnoho výhod: potřebuje pouze malé množství vzorků, nevyžaduje přípravu, manipulace „míchání a měření“ je jednoduchá a doba analýzy je krátká.

Optické mikrosenzory se stále častěji uplatňují i v medicíně. Výzkumný institut CiS pro mikrosenzory vyvinul in-ear senzor, který dokáže neinvazivně měřit tepovou frekvenci a obsah kyslíku v krvi a předat tyto údaje do záznamového zařízení. Systém pro dlouhodobé monitorování životních parametrů sestává z miniaturizovaného světelného zdroje o rozměrech pouhých 0,6 x 0,7 x 1,4 milimetrů a laser-dopplerových senzorů. „Princip měření spočívá v tom, že laserové světlo rozptýlené složkami krve podléhá frekvenčnímu posuvu podle Dopplerova jevu,“ vysvětluje Dr. Hans-Georg Ortlepp z CiS. Překryvem s původní vlnou vznikají na detektoru interferenční efekty v měřitelném frekvenčním rozsahu. Místo měření je plánováno na vchod do zvukovodu. Senzor má být zabudován do otoplastiky, takže měřící jednotka bude možné nosit jako sluchadlo.

Poslouchání světlem

Vidět díky světlu je běžné, poslouchat díky světlu je nový přístup, který sleduje centrum CSEM ve Švýcarsku (Centre Suisse d’Électronique et de Microtechnique). Protože světlo se nejen stále častěji používá v diagnostice, ale také v terapii. Dosud fungují kochleární implantáty na elektrickou stimulaci, která je však omezená v několika ohledech, například špatnou prostorovou rozlišitelností nebo tzv. přeslechem. S „opticko-akustickou“ stimulací se podílí CSEM na evropském projektu ACTION (Aktivní implantát pro optoakustické zlepšení přirozeného zvuku). „Cílem je zvýšit sluch u těžce sluchově postižených pacientů tím, že odstraníme omezení v prostorové a časové stimulaci kochleárních implantátů, která jsou založena na elektrické stimulaci,“ zdůrazňuje Dr. Stefan Mohrdiek z CSEM. ACTION vychází z objevu, že pulzní infračervené laserové světlo dokáže vyvolat sluchovou aktivitu ve vlasových buňkách. Hlavními součástmi optického mikrosystému jsou lasery pro optickou stimulaci, přičemž jsou preferovány polovodičové laserové diody, odpovědní elektrody a flexibilní spojovací prvky s tištěnými elektrickými vodiči. Před realizací takových systémů je třeba překonat mnoho výzev, například důslednou miniaturizaci, pokročilé VCSEL lasery pro dlouhé vlnové délky, biokompatibilitu, výrobu mikrolen na waferové bázi a možnost sériové výroby.

Laserové záření je dnes již intenzivně využíváno k různým terapeutickým účelům, od akupunktury přes odpařování tkání až po rozrušení (například kůže, chrupavky a kameny). Navíc se směrované světlo používá i při fotodynamické terapii a termické koagulaci. Zejména efektivní jsou metody, při nichž je světlo z optických vláken rozptylem odkloněno do stran, čímž se ozařují větší plochy. Vyvinula je laserová a medicínská technologie v Berlíně (LMTB). „Pro polymerové difuzory navazující na kvartzové skleněné vodiče světla jsme zavedli nový výrobní postup, při němž jsou laserem indukované rozptylové centry, tzv. Micro-Dots, vkládány do materiálu difuzoru,“ uvádí Dr. Jürgen Helfermann, senior projektový manažer v oboru biomedicínské optiky v LMTB. Díky tomu lze vyrábět různé aktivní délky mezi 5 a 30 milimetry, při nichž je vyzařování až do 90 procent odkloněno do stran. To umožňuje i vysoké laserové výkony nad 10 wattů. Vlnové délky sahají od UV po blízkou infračervenou. Pevné difuzory jsou již zavedené, měkké varianty jsou ve vývoji.

Laserová chirurgie s kontrolou v reálném čase

Jaké možnosti nabízí laserová chirurgie s kontrolou v reálném čase pomocí optické koherentní tomografie (OCT), ukázal na COMPAMED Jarním fóru Dr. Alexander Krüger z Laserového centra Hannoveru (LZH). Laser na řezání tkání lze přímo propojit s optickým přístupem ke zobrazování. Plně integrované řešení používá společné lasery, skenery a objektivy. Alternativně existují modulární verze s společným skenerem nebo oddělené. Femtosekundové a excimerové lasery jsou dnes běžně používanými nástroji v oční chirurgii. Umožňují cílené změny sklivce v oku, aniž by došlo k poškození sítnice nebo nervů. Pomocí ultra rychlých laserů jsou dnes možné inovativní léčby šedého zákalu, věkem podmíněné dalekozrakosti a retinopatie, přičemž OCT slouží k přímé kontrole. Do budoucna se očekává, že zobrazovací laserová terapie získá další oblasti použití – například při odstraňování nádorů, endoskopické mozkové laserové chirurgii, řezání kostí a operacích hlasivek.

„Bezpochyby nabízí použití světla vynikající možnosti v medicíně,“ shrnuje Dr. Thomas Dietrich, výkonný ředitel sdružení IVAM, poznatky z letošního COMPAMED Jarního fóra. Proto bude tento mimořádně rozmanitý obor, který přispívá jak k diagnostice, tak k léčbě, hrát důležitou roli také na veletrhu COMPAMED 2015, který se koná od 16. do 19. listopadu v halách 8a a 8b Düsseldorfu.