Přístroj odhalí látky skryté v lidském dechu. S přesností na molekulu

Na úvod své vědecké kariéry hledal Patrik Španěl organické sloučeniny v mezihvězdném prostoru. Pak se ale vrátil na pevnou zemi, mezi lidi. Jeho metoda hmotností spektrometrie, technologie sloužící k mimořádně přesnému měření látek v plynech, nachází již řadu let uplatnění v nejrůznějších oborech lidské činnosti: vylepšuje výrobu čipů, kontroluje produkci léků, stará se o bezpečnost přepravy, ale dokáže také odhalit některé nemoci z našeho dechu. Na jakém principu pracuje? A může v budoucnosti sloužit jako diagnostická metoda v medicíně? Pro odpovědi jsme se vydali do laboratoří v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

Crohnova choroba je chronické onemocnění trávicího traktu, kterým trpí asi tři lidé z tisíce. Způsobuje bolestivé záněty, horečky, dlouhotrvající průjmy, chronickou únavu a úbytek hmotnosti. Její přesné příčiny jsou neznámé. Předpokládá se, že jsou genetického původu. Podle statistik její výskyt v populaci už několik desetiletí narůstá, ale lék neexistuje. Léčba se soustředí pouze na potlačování příznaků. Čím dříve je nemoc diagnostikována, tím lépe se daří zmírnit její projevy.

Pacienty s podezřením na Crohnovu chorobu čeká řada invazivních vyšetření: rozbor krve, kolonoskopie tlustého střeva, endoskopie horního trávicího traktu a nejspíše i biopsie, při které se odebírá vzorek tkání. Rychlá a neinvazivní metoda, která by nemoc odhalila ještě před propuknutím příznaků, by nejen ulehčila pacientům, ale také pomohla včasné prevenci.

Lékařský výzkum již v minulosti naznačil, že zánětlivá onemocnění trávicího traktu, jakým je i Crohnova choroba, provází zvýšené množství pentanu v lidském dechu. A pentan je jednou z těkavých organických látek, které dokáže s velkou přesností rozpoznat hmotnostní spektrometrie plynů, analytická metoda, na jejímž vývoji se již desítky let podílí Patrik Španěl z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

Výzkum Patrika Španěla je od základu mezioborový. Kombinuje poznatky fyzikální chemie, elektroinženýrství, ale také třeba biomedicíny. 

Metoda je to tak citlivá, že dokáže určit koncentrace v řádu 10^-9. Jinými slovy, ve vzduchu či lidském dechu určí jednotky molekul mezi miliardami jiných. Říká se, že detekuje náprstek cizí tekutiny v plaveckém bazénu. „Osobně mám ale radši poetický příměr, že dokáže přesně vymezit jedinou vteřinu z celého trvání lidského života,“ vypráví nám Patrik Španěl ve chvíli, kdy nás provází po své laboratoři. Spektrometrická technika detekuje i jiné těkavé látky, nejen organické: například amoniak nebo sulfan.

Jak spektrometrie zjistí, které látky se v dechu nacházejí? Jednoduše, zváží jednotlivé molekuly. K měření používá elektrický náboj. Specifické molekuly se nabijí, takzvaně ionizují, a pak se pomocí elektrických nebo magnetických polí určí jejich hmotnost. Spektrometr určí, jaké druhy látek jsou přítomné a v jakém množství. Žádná jiná podobně citlivá technologie neexistuje. Standardní hmotnostní spektrometrie se v praxi mimo vědu běžně využívá. „Každému nově narozenému dítěti lékaři rutinně odeberou kapičku krve z paty, ta se posléze usuší a vzorky se spektrometricky analyzují ve dvou nezávislých laboratořích,“ popisuje běžnou praxi v porodnicích Patrik Španěl. Cílem vyšetření je určit, zdali dítě netrpí metabolickou poruchou, například fenylketonurií. Jde o poruchu trávení fenylalaninu, aminokyseliny, kterou najdeme v mase, vejcích, mléce, mouce, luštěninách nebo v umělých sladidlech. Pokud není odhalena, hrozí, že při požití i malého množství fenylalaninu dojde k těžkému poškození mozku. V těchto případech hmotnostní spektrometrie doslova zachraňuje životy.

Z vesmíru mezi lidi
Rozvoji hmotnostní spektrometrie se v českém prostředí věnují více než dvě stovky badatelů. Výzkum Patrika Španěla se soustředí na hledání nových možností, kde by se dala uplatnit. Některé cesty, kudy se přitom ubírá, jsou tedy neprobádané a nutně exotické. „Studujeme, jak plynné molekuly reagují a co je jejich produktem. Když to zjistíme, můžeme je potom hledat a přesně měřit,“ popisuje Patrik Španěl. Jeho výzkum začíná od píky: vývojem samotných metod. Pak přichází na řadu návrh nových přístrojů a aplikace do biomedicíny a jiných věd.

Začátky analýzy plynů sahají do roku 1990. Přístroje ale tehdy vznikaly za jiným účelem: měly sloužit k výzkumu organických reakcí v mezihvězdném prostoru. V kosmickém vakuu se molekuly vlivem záření také ionizují a vznikají tak složitější organické sloučeniny. Mechanismus těchto reakcí měl odhalit specifický typ hmotnostní spektrometrie, který má zkratku SIFT-MS.

Patrik Španěl vzpomíná, proč mezihvězdnou chemii opustil. „Byl to zajímavý obor, ale na můj vkus příliš uzavřený,“ vysvětluje. Už tehdy ho lákaly představy, jak by bylo možné nové přístroje využít jinak. Nabízely se aplikace v potravinářství a při analýze dechu. Když se pak vrátil do Česka a přijal místo v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, dostal sice badatelskou svobodu, ale vlastní laboratoř si musel zařídit úplně sám. Se svým kolegou Davidem Smithem, který letos obdržel Čestnou oborovou medaili Jaroslava Heyrovského za zásluhy v chemických vědách, do Česka dovezl zastaralou aparaturu z Anglie, pozůstatek výzkumu tamějšího zesnulého fyzikálního chemika. Tak založil laboratoř, kterou vede dodnes pod názvem oddělení chemie iontů v plynné fázi.

V laboratoři neprobíhá jen testování látek. Vědci zde navrhují také další generaci měřicích přístrojů.

Zařízení, které nám Patrik Španěl předvádí, je tomu původnímu na hony vzdálené. Jde přibližně o 90 cm vysokou a 70 cm širokou aparaturu, jakou bychom přešli bez povšimnutí. Po zapnutí přístroj začne z hubice nasávat okolní vzduch a jeho obsah analyzuje. Výsledkem je divoká křivka grafu, z jehož vrcholů je odborník schopný vyčíst složení plynného vzorku.

Vědci přístroje stále zdokonalují a rozšiřují katalog látek, které jsou schopni v plynech rozpoznat. Obsahuje stovky organických i anorganických sloučenin. „Je důležité, aby zařízení měřilo jen stopové složky, nikoli hlavní složky vzduchu, jako je kyslík, dusík nebo vodní pára,“ vysvětluje Patrik Španěl. Na přesnost měření nemá teplota v laboratoři vliv.

Existuje ale řada proměnných, které výsledek ovlivňují. A nasazení přístroje v lékařské diagnostice, kde je nutná vysoká spolehlivost, je prozatím hudbou budoucnosti. Látky v dechu totiž sice mohou prozradit rakovinu tlustého střeva, ale vyskytují se i v dechu zdravých lidí. Tam, kde není klinická přesnost potřeba, se o nasazení uvažuje už dnes. „Kolegové na Imperial College v Londýně vyvinuli metodu screeningu rakoviny jícnu pomocí analýzy dechu, která vytipuje pacienty se zvýšeným rizikem jako kandidáty pro gastroskopické vyšetření,“ doplňuje.

Pomocník do každého odvětví
Mimo zdravotnictví se metoda používá už řadu let. V Jižní Koreji například přístroj kontroluje perimetr kolem chemické továrny, zdali z ní do okolí neunikají škodlivé látky. V současnosti nejvýznamnější je využití SIFT-MS při výrobě polovodičů. Tranzistory, základní komponenty, které jsou součástí procesorů, se zmenšují. Díky tomu se jich do čipů vejde více a elektronika má vyšší kapacitu. Jejich velikost je několik nanometrů. Při tak malých rozměrech ale může jakákoli nečistota zničit celou várku čipů. Situaci zachraňuje hmotnostní spektrometrie, která kontroluje kvalitu vzduchu, aby nečistoty v prostředí nenarušily výrobu.

Chrání také pracovníky v přepravě: pokud celníci pojmou podezření, že přepravní kontejner obsahuje nebezpečné látky či výbušniny, přístroj ze vzduchu určí, jestli se uvnitř nějaké nacházejí. Ve farmaceutickém průmyslu sleduje čistotu přípravků používaných při výrobě léčiv. V potravinářství bude možné detekovat zbytky pesticidů například na sezamových semíncích a ořeších. A zjišťuje také původ a kvalitu olivového oleje.

Věděli jste, že Itálie údajně každoročně vyveze asi čtyřikrát více olivového oleje, než kolik dokážou tamější zemědělci vyprodukovat? Většina pochází z řeckých a španělských oliv, v Itálii se pouze stáčí do lahví s nálepkou „made in Italia“. Výpary italského oleje však mají o trošku jiné složení než výpary oleje z jiných zemí. Ano, hádáte správně, hmotnostní spektrometrie dovede tyto odlišnosti odhalit. Firmy, které původ oleje zajímá, tak mají jistotu, že vyšší cenu, kterou pravý a původem italský olej má, neplatily zbytečně.

Ze složení výparů olivového oleje dokáže přístroj určit, odkud pochází olivy, ze kterých je olej vyrobený. Je skutečně italský? 

Při převzetí Akademické prémie na podzim minulého roku Patrik Španěl prozradil, kam se bude jeho úsilí dál ubírat. S týmem, jenž neúnavně rozšiřuje katalog látek, které jeho přístroj dovede odhalit, a s robustní analytickou metodou využívanou firmami po celém světě má v úmyslu dělat to, co mu jde nejlépe: posouvat možnosti, překonávat omezení, které hmotnostní spektrometrie plynů v současnosti má. Limitující je nyní především konstrukce přístroje, která znesnadňuje použití v terénu. Pracuje tak na konceptu přístrojů lehčích a přenosných. „V současnosti projektujeme zařízení na testy a potom, v horizontu dalších dvou tří let, bychom chtěli navrhnout prototyp menšího přístroje,“ uzavírá, když nám v laboratoři ukazuje vznikající technologii nového zařízení. Je tedy docela dobře možné, že se v budoucnu s jeho spektrometry budeme setkávat čím dál běžněji a v dalších mimovědeckých oborech.

prof. RNDr. Patrk Španěl, Dr. rer. nat.

Vystudoval fyzikální elektroniku a vakuovou fyziku na Matematicko-fyzikální fakultě UK, pak se věnoval studiu fyziky ionizovaných plynů na Leopold-Franzens Universität v Innsbrucku. V Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR působí od roku 1997, zastává zde pozice vedoucího oddělení chemie iontů v plynné fázi, zástupce ředitele a předsedy rady. Od roku 2002 je též profesorem v oboru chemické fyziky na Univerzitě Keele v Anglii a v současnosti působí jako hostující profesor na Imperial College v Londýně. Autorsky se podílel na třech stovkách článků ve vědeckých časopisech, které byly více než 12 000krát citovány. V minulém roce získal prestižní grant AV ČR Akademickou prémii.

Text je převzatý z časopisu A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR.

Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

3/2022 (verze k listování)
3/2022 (verze ke stažení)

Text: Jan Hanáček, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Text a fotografie jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Čeští vědci spolupracují na vývoji ekologických a levných solárních článků
• Nebezpečné látky obsažené v náplních elektronických cigaret poškozují plíce
• Nový vodíkový elektrolyzér ukládá energii z obnovitelných zdrojů
• Chemičkou jsem se chtěla stát už od čtrnácti let, říká Adéla Šimková
• Vědci vyvinuli novou kontrastní látku, která pomůže včas odhalit skryté nemoci
• Rostliny v sobě mají neuvěřitelné chemické bohatství, říká Tomáš Pluskal
• Krotitelé molekul: vědci objevili, jak zvýšit kapacitu molekulárních čipů
• Od vynálezu k praxi. Firma vyzkouší metodu jednodušší výroby metanolu
• Badatelé představili 3D materiály pro rekonstrukční a plastickou chirurgii
• Proč se Země a Venuše vyvinuly odlišně? Napoví mise, jíž se účastní i Češi