9. COMPAMED Frühjahrsforum daje przedsmak trendowych tematów przed COMPAMED 2015

Światło od lat jest nieodzownym narzędziem w medycynie. Metody fotoniczne są dziś nieodłączne w endoskopii, chirurgii laserowej, systemach Lab-on-a-Chip, biomedicynych optosensorach i innych dziedzinach. W tym kontekście odbyło się 9. Forum Wiosenne COMPAMED (7 maja we Frankfurcie nad Menem), które organizuje Messe Düsseldorf wspólnie z Fachverband Mikrotechnik IVAM, pod hasłem „Światło nadziei dla techniki medycznej – zastosowania fotoniki w diagnostyce i terapii” i tym samym dało pierwszy wgląd w trendy na targach COMPAMED 2015 w Düsseldorfie. Międzynarodowa wystawa dla dostawców branży medycznej, z ponad 700 wystawcami, odbędzie się od 16 do 19 listopada po raz pierwszy na cztery dni, całkowicie równolegle do największych na świecie targów medycznych MEDICA 2015 (około 4 800 wystawców) i od tego czasu zawsze w dniach od poniedziałku do czwartku.

Przede wszystkim zastosowania nowoczesnych laserów stają się coraz liczniejsze. Lasery cięły znacznie precyzyjniej niż każde skalpel, a ponadto potrafią zespalać tkanki. Fokused światło często jest wybieranym narzędziem do usuwania kamieni z ciała. Przy cięciu i usuwaniu tkanek miękkich laser jest również lepszy od technologii takich jak prąd czy fale dźwiękowe. Fotoniczna technologia osiągnęła szczególne postępy w minimalnie inwazyjnych operacjach. Endoskopia, czyli wgląd do ciała za pomocą odpowiednich instrumentów, jest od lat skutecznie stosowana i stale udoskonalana. Konsekwentne ulepszanie źródeł światła, przewodzenia światła i systemów kamerowych to kluczowe czynniki, które pozwalają na coraz delikatniejsze, szybsze i dokładniejsze operacje.

Medycyna pokłada duże nadzieje w bezpośrednim spojrzeniu w komórkę. Celem jest zrozumienie i wykrycie procesów biologicznych na poziomie molekularnym lub komórkowym. Daje to szansę na wczesne wykrywanie chorób, lepszą diagnostykę i bardziej ukierunkowane terapie – m.in. metodę wczesnego wykrywania raka. Mikroskop fluorescencyjny, opracowany przez niemieckiego naukowca Stefana Hella z Max-Planck-Institut w Göttingen, osiągnął rozdzielczość na poziomie widoczności pojedynczych cząsteczek. Hella otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2014 roku za przełomowe prace nad superrozdzielczym mikroskopem fluorescencyjnym – również jako narzędzie w medycynie.

Nie ulega wątpliwości, że biophotonika, zastosowania laserowe i mikrooptyka coraz bardziej wkraczają w technikę medyczną, ponieważ te metody są szczególnie bezpieczne i przyjazne dla pacjentów. W swoim wystąpieniu kluczowym „Beyond White Light – nowe modalności obrazowania w celu poprawy diagnostyki i terapii w minimalnie inwazyjnej chirurgii” Thorsten Jürgens, koordynator rozwoju technologii w Olympus Surgical Technologies Europe, opowiedział o nowych metodach obrazowania, które znacząco poprawiają możliwości mikrochirurgii. Na przykład Narrow Band Imaging (NBI) umożliwia wykrywanie drobnych struktur i naczyń włosowatych na powierzchni błony śluzowej. Tkanka ludzka bardzo dobrze absorbuje światło o krótkich długościach fal, które są tutaj wykorzystywane. NBI korzysta z tej właściwości i dostarcza dodatkowych informacji, których nie można uzyskać z normalnego obrazu endoskopowego. Filtr generuje dwa spektra szerokości 60 nanometrów w zakresach fal 415 nm (niebieskie światło) i 540 nm (zielone światło). Dzięki charakterystyce absorpcji hemoglobiny zwiększa się kontrast naczyń krwionośnych. Różne głębokości przenikania niebieskiego i zielonego światła pozwalają na określenie warstwy anatomicznej, w której przebiega naczynie.

Obiecujące jest również zastosowanie diagnostyki fotodynamicznej (PDD), która potrafi wykrywać w in vivo specjalne guzy i jest już stosowana w dermatologii i urologii. Najpierw podaje się fotosensytyzator, który selektywnie gromadzi się w komórkach nowotworowych. Po naświetlaniu światłem barwniki fluorescencyjne emitują światło, które jest wykrywane. Używa się szerokopasmowych źródeł światła ksenonowego, z których za pomocą filtrów wyodrębnia się potrzebne długości fal. W ostatnich latach opracowano nowe, specyficzne barwniki. „NBI i PDD są już powszechnie stosowane w klinicznej opiece. W przyszłości alternatywne barwniki umożliwią celowe oznaczanie struktur ryzyka i chorób”, wyjaśnia Thorsten Jürgens.

Funkcjonalizowane nanorurki do wczesnego wykrywania raka

Wieloma platformami fotonicznymi zajmuje się austriacki Instytut Technologii (AIT) w Wiedniu, największa nieuniwersytecka instytucja badawcza w Austrii. AIT bierze udział w projekcie NAMDIATREAM (Nanotechnological Toolkits for Multi-Modal Disease Diagnostics and Treatment Monitoring), finansowanym przez UE, który ma przyczynić się do wczesnego wykrywania raka opartego na nanotechnologii. AIT, posiadający patent na innowacyjną diagnostykę immunologiczną, opracował funkcjonalizowane nanorurki typu jądro-powłoka, które są niezwykle proste w użyciu: „Już w karetce można wykonać pomiary za pomocą próbki śliny pacjenta, która jest najlepszym medium do zastosowań point-of-care”, wyjaśnia dr Giorgio C. Mutinati z AIT. Metoda opiera się na optycznych zmianach dynamiki obrotowej nanorurek magnetycznych, które mają magnetyczne jądro i powłokę z metali szlachetnych. Specjalne cząsteczki z próbki wiążą się z nanopartikami, zmieniając mierzalnie ich właściwości fizyczne. Metoda ma wiele zalet: wymaga niewielkich ilości próbki, nie wymaga przygotowania, obsługa jest prosta „mieszanie i pomiar”, a czas analizy jest krótki.

Optyczne mikrosensory coraz częściej znajdują zastosowanie w technice medycznej. Instytut badawczy CiS ds. Mikrosensorów opracował sensor douszny, który może nieinwazyjnie mierzyć tętno i poziom tlenu we krwi oraz przesyłać dane do urządzenia rejestrującego. System długoterminowego monitorowania parametrów życiowych składa się z miniaturowego źródła światła o rozmiarze zaledwie 0,6 x 0,7 x 1,4 mm oraz czujników laserowo-Dopplerowskich. „Zasada pomiaru opiera się na tym, że rozproszone światło laserowe od składników krwi powoduje przesunięcie częstotliwości zależne od prędkości i kierunku przepływu, zgodnie z efektem Dopplera”, wyjaśnia dr Hans-Georg Ortlepp z CiS. Nakładanie się fal powoduje na detektorze efekty interferencyjne w mierzalnym zakresie częstotliwości. Miejsce pomiaru planowane jest przy wejściu do kanału słuchowego. Czujnik ma być wbudowany w otoplastykę, tak aby można go było nosić jak aparat słuchowy.

Słyszenie światłem

Widzieć dzięki światłu to normalne, słyszeć dzięki światłu to nowa koncepcja, którą realizuje centrum CSEM Zentralschweiz (Centre Suisse d’Électronique et de Microtechnique). Światło jest coraz częściej wykorzystywane nie tylko w diagnostyce, ale także w terapii. Dotychczas implanty ślimakowe działają na zasadzie stymulacji elektrycznej, która jest ograniczona m.in. przez słabą rozdzielczość przestrzenną, tzw. „przebicia” sygnału. CSEM bierze udział w projekcie UE ACTION (ACTive Implant for Optoacoustic Natural sound enhancement), który ma na celu poprawę słuchu u osób z głęboką utratą słuchu. „Projekt ma na celu zwiększenie słyszenia u pacjentów z poważną utratą słuchu poprzez eliminację ograniczeń w przestrzennym i czasowym pobudzeniu implantów ślimakowych, które opierają się na stymulacji elektrycznej”, podkreśla dr Stefan Mohrdiek z CSEM. ACTION opiera się na odkryciu, że pulsujące światło laserowe podczerwone jest w stanie wywołać aktywność słuchową w komórkach włoskowatych. Głównymi elementami optycznego mikrosystemu są lasery do stymulacji optycznej, w tym preferowane diody półprzewodnikowe, elektrody odpowiedzi oraz elastyczne elementy łączące z drukowanymi przewodami elektrycznymi. Do realizacji takich systemów konieczne jest pokonanie wielu wyzwań, m.in. miniaturyzacji, zaawansowanych laserów VCSEL do długich długości fal, biokompatybilności, produkcji mikrosoczewek na bazie wafli oraz możliwości seryjnej produkcji.

Promieniowanie laserowe jest już intensywnie wykorzystywane do różnych efektów terapeutycznych – od akupunktury, przez odparowywanie tkanek, po usuwanie lub rozbicie (np. skóry, chrząstki i kamieni). Ponadto skierowane światło znajduje zastosowanie w terapii fotodynamicznej i koagulacji termicznej. Szczególnie dobre efekty można osiągnąć za pomocą metod, w których światło z włókien szklanych jest bocznie rozpraszane, aby naświetlić większe powierzchnie. Odpowiednie sztywne i elastyczne dyfuzory do terapii laserowej opracowuje Laser- und Medizintechnologie w Berlinie (LMTB). „Dla polimerowych dyfuzorów, stosowanych po szklanych światłowodach kwarcowych, opracowaliśmy nową metodę produkcji, w której wprowadza się laserowo indukowane centra rozproszenia, tzw. Micro-Dots, w materiał dyfuzora”, relacjonuje dr Jürgen Helfermann, starszy menedżer projektu w dziedzinie optyki biomedycznej w LMTB. Pozwala to na produkcję różnych długości fal od 5 do 30 mm, przy czym emisja boczna sięga nawet 90 procent. W zakresie długości fal od UV do bliskiej podczerwieni. Sztywne dyfuzory są już dostępne, a elastyczne są w fazie rozwoju.

Chirurgia laserowa z kontrolą w czasie rzeczywistym

Jakie możliwości daje chirurgia laserowa z kontrolą w czasie rzeczywistym za pomocą optycznej tomografii koherentnej (OCT), pokazał podczas Forum Wiosennego COMPAMED dr Alexander Krüger z Laser Zentrum Hannover (LZH). Laser do cięcia tkanek można bezpośrednio połączyć z dostępem optycznym do obrazowania. Całkowicie zintegrowane rozwiązanie korzysta z wspólnych laserów, skanerów i obiektywów. Alternatywnie dostępne są modułowe wersje z wspólnym skanerem lub w dużej mierze oddzielne. Lasery femtosekundowe i excimerowe są dziś powszechnie używanymi narzędziami w chirurgii oka. Pozwalają na celowe zmiany ciała szklistego, bez uszkodzenia siatkówki czy nerwów. Za pomocą ultranowoczesnych laserów można wykonywać innowacyjne operacje zaćmy, starczowzroczności i retinopatii, przy czym OCT służy do bezpośredniej kontroli. W przyszłości można oczekiwać, że obrazowe terapie laserowe znajdą szersze zastosowanie – m.in. w usuwaniu guzów, endoskopowej chirurgii mózgu, cięciu kości i operacjach laserowych krtani.

„Bez wątpienia zastosowanie światła daje znakomite możliwości w technice medycznej”, podsumowuje dr Thomas Dietrich, dyrektor IVAM, podsumowując wnioski z tegorocznego Forum Wiosennego COMPAMED. Dlatego ten niezwykle różnorodny obszar tematyczny, który wnosi wkład zarówno w diagnostykę, jak i terapię, odegra ważną rolę również podczas targów COMPAMED 2015, które odbędą się w dniach od 16 do 19 listopada w halach 8a i 8b na terenach targowych w Düsseldorfie.