Fény a sötétségben: Ultrahanggal gyújtottak világosságot az emberi test mélyén

A modern orvostudomány egyik legnagyobb kihívása nem csupán az, hogy megértsük a testünkben zajló folyamatokat, hanem az is, hogy fizikailag...

A modern orvostudomány egyik legnagyobb kihívása nem csupán az, hogy megértsük a testünkben zajló folyamatokat, hanem az is, hogy fizikailag hozzáférjünk azokhoz a pontokhoz, ahol a baj gyökerezik.

Képzeljünk el egy olyan világot, ahol a sebésznek nem kell hatalmas vágásokat ejtenie vagy optikai szálakat vezetnie a páciens agyába, gerincébe vagy belső szerveibe, hogy fényt vigyen a sötétségbe. A Stanford Egyetem kutatói nemrégiben pontosan egy ilyen sci-fibe illő technológiát mutattak be: képessé váltak arra, hogy ultrahanghullámok segítségével, invazív beavatkozás nélkül hozzanak létre fényt az élő szervezet belsejében. (1)

A fény alapvető lételemünk, de az orvoslásban is nélkülözhetetlen eszköz. Használják rákos sejtek elpusztítására, sejtgyógyításra, sőt, a legújabb kutatások szerint idegi jelek manipulálására is. Van azonban egy fizikai korlát, amivel minden orvos találkozik: a látható fény nem hatol át az emberi szöveteken. Ami a bőrünkön átragyog, az csupán egy halvány vöröses derengés, a test mélyebb rétegei pedig sötétségbe burkolóznak.

Eddig, ha egy orvos fényt akart juttatni egy belső szervhez, vagy fel kellett vágnia a pácienst, vagy egy vékony, merev üvegszálat kellett áttolnia az egészséges szöveteken. Guosong Hong, a Stanford anyagtudományi és mérnöki professzora és csapata azonban talált egy elegánsabb megoldást, amely a mechanika és a biológia határmezsgyéjén mozog.

A kutatás kulcsa az ultrahangban rejlik. Míg a fény elnyelődik a húsban és a csontban, az ultrahanghullámok akadálytalanul és mélyen hatolnak be a testbe – ezt használják évtizedek óta a kismamák vizsgálatánál vagy a belső szervek diagnosztizálásánál. A kutatók rájöttek, hogy ha az ultrahang erejét össze tudnák kapcsolni egy fényforrással, áttörhetnék a sötétség falát. Ehhez speciális, kerámiaalapú nanorészecskéket hívtak segítségül, amelyek egy különleges tulajdonsággal, az úgynevezett mechanolumineszcenciával rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy amikor fizikai nyomás vagy mechanikai feszültség éri őket, fényt bocsátanak ki.

A folyamat során a tudósok ezeket a nyers kerámiaanyagokat parányi, a véráramban biztonságosan utazni képes nanorészecskékké alakították. Annak érdekében, hogy a részecskék ne tapadjanak össze és ne süllyedjenek le az erek aljára, egy biokompatibilis bevonattal látták el őket, így egyenletesen eloszlanak a keringésben. Amint ezek a részecskék bekerülnek a véráramba, a szív eljuttatja őket mindenhová: az agy legrejtettebb zugaiba, a bélrendszer kanyarulataiba és az izomszövetek mélyére.

Itt jön a varázslat: ha kívülről, egy orvosi diagnosztikában már engedélyezett, biztonságos szintű ultrahanggal megcélozzák az adott területet, a rezgések megremegtetik a nanorészecskéket, azok pedig a mechanikai stressz hatására kékes fénnyel kezdenek ragyogni.

A laboratóriumi egereken végzett kísérletek elképesztő eredményeket hoztak. A kutatók egy apró, ultrahangot kibocsátó "sapkát" helyeztek az állatok fejére. Amikor az ultrahangot az agy meghatározott területeire fókuszálták, a nanorészecskék felvillantak, és képessé váltak az idegsejtek stimulálására. A megfigyelések szerint az egerek aszerint változtatták meg mozgási irányukat – balra vagy jobbra fordultak –, hogy az agyuk melyik részét "világították meg" éppen. Ez bizonyítja, hogy a módszer nemcsak látványos, hanem funkcionálisan is képes befolyásolni a biológiai folyamatokat, méghozzá programozható módon.

A technológia jelentősége messze túlmutat az idegtudományi kutatásokon. A kísérletek során használt részecskék 490 nanométeres hullámhosszú kék fényt bocsátottak ki, ami pontosan az a tartomány, amelyet a fotodinámiás rákterápiában alkalmaznak. Jelenleg a rákos daganatok fényalapú kezelése korlátozott, mivel a külső fényforrás nem ér el a mélyebben fekvő tumorokhoz. Ezzel az új módszerrel azonban a "lámpa" magában a daganatban gyulladna meg, belülről pusztítva el a kóros sejteket, miközben a környező ép szövetek érintetlenek maradnak.

A jövő még ennél is biztatóbb: a kutatócsoport már dolgozik olyan részecskéken, amelyek ultraibolya (UV) fényt bocsátanak ki. Az UV-fény közismert fertőtlenítő hatásáról, így a módszer alkalmas lehet a szervezetben lévő vírusok vagy baktériumok elpusztítására anélkül, hogy a beteget agresszív vegyszerekkel vagy antibiotikumokkal terhelnék. Emellett a génszerkesztés területén is áttörést hozhat ez a belső fényforrás.

A génmódosítás során gyakran fordulnak elő nem kívánt "mellékhatások", amikor a szerkesztés nem a megfelelő helyen történik meg. Ha a génszerkesztő folyamatokat egy célzott fényforrással tennék kapcsolhatóvá, az orvosok szó szerint egyetlen gombnyomással (az ultrahang bekapcsolásával) irányíthatnák, hogy hol és mikor történjen meg a beavatkozás.

Természetesen az emberi alkalmazásig még rögös út vezet. Bár a kísérleti egereknél nem tapasztaltak káros mellékhatásokat, a kutatók most olyan új anyagokat keresnek, amelyek még biztonságosabbak, és használat után maguktól lebomlanak a szervezetben, kiürülve a keringésből. Guosong Hong hangsúlyozta, hogy amit most láttunk, az egy "működőképességi bizonyíték". Megmutatták, hogy a fizika törvényeit rafináltan kihasználva a testünk belső sötétsége legyőzhető.

Ez a felfedezés egy új korszak hajnalát jelentheti az orvoslásban. Egy olyan korszakét, ahol a szike helyett hullámok gyógyítanak, és ahol a fény nem kívülről próbál áttörni a falakon, hanem belülről fakad, pontosan ott, ahol a legnagyobb szükség van rá. A Stanford kutatói bebizonyították, hogy a tudomány néha képes a legmerészebb sci-fi álmokat is valósággá váltani, egy pohárnyi nanorészecske és egy halk ultrahangos morajlás segítségével. (2)

(1) - https://www.nature.com/articles/s415
(2) - https://thedebrief.org/scientists-create