Z lidského dechu možná jednou odhalíme i rakovinu, říká český vědec

Fyzikální chemik a špičkový odborník na hmotnostně spektrometrickou metodu analýzy vzduchu Patrik Španěl se už v 90. letech podílel na vývoji metody měření koncentrací organických těkavých látek ve vzduchu s velkou citlivostí.

Nedávno od Akademie věd ČR získal Akademickou prémii, což je grant ve výši až 30 milionů korun na šestiletý výzkum. Využít ji má k zdokonalení metod potřebných pro praktické využití této technologie. „Ve Velké Británii je velký zájem o screening rakoviny tlustého střeva dechovým testem. Je to ve fázi výzkumu, kterého se sám účastním a vypadá to slibně,“ říká Španěl v rozhovoru pro Seznam Zprávy.

Co je to vlastně hmotnostní spektrometrie, kterou k měření využíváte?

Hmotnost molekul a atomů v podstatě nelze určit vážením, protože je strašně malinká. Gravitační síla, která na ně působí, je prostě moc malá, takže my pro určení hmotnosti atomů a molekul využíváme elektrickou sílu. Ta ale působí jen na elektricky nabité objekty. To znamená, že hmotnostní spektrometrie je obecně založená na tom, že se molekuly opatří elektrickým nábojem, neboli se ionizují, a potom se pomocí elektrických polí dá určit jejich hmotnost. Spektrometrií se to stává, když v nějakém vzorku máme více druhů molekul a my na základě hmotnosti zjišťujeme, jaké je jejich zastoupení.

K čemu přesně ji využíváte?

Hmotnostní spektrometrie jako taková je široký obor, my se ale specializujeme na měření koncentrací výparů těkavých organických látek. Chceme tedy zjistit, jaké těkavé látky vycházejí z nějakého vzorku. O jaké látky jde, zjišťujeme právě podle hmotnosti jejich molekul.

Možných aplikací je víc a ještě se k nim dostaneme, v čem je ale jedinečná ta samotná metoda měření?

Jde o specializovanou metodu, která určuje nejen hmotnost molekul, ale i jejich koncentrace ve vzduchu. Ty koncentrace se měří v jednotkách molekul na miliardu molekul vzduchu. To je obrovsky naředěné. Když se to často snažím přiblížit studentům, říkám, že je to něco jako náprstek v 50metrovém bazénu nebo jako jedna sekunda z celého lidského života. Zhruba tak jsou ty molekuly, které potřebujeme najít a určit jejich počet, naředěné. Umíme přesně určit jejich počet, zjistíme jestli jich je tam jen zlomek na miliardu nebo jestli je tam jedna či jich je tam 20.

Ta metoda ale není nová, na jejím vývoji se podílím už od 90. let, když se s tím začínalo v Rakousku a Anglii. Teď už se průmyslově používá možná 15 let.

Přesto ale na udílení prémií AV ČR zaznělo, že teď ve vašem výzkumu budete dělat věci, co ještě nikdo jiný nedělá, o co půjde?

Nejde o tu metodu jako takovou. My teď vymýšlíme různé nové přístupy k hmotnostní spektrometrii. Ty se liší spoustou technických detailů, ale konečným cílem je tyto přístroje zmenšit.

V současnosti totiž ty přístroje váží mezi sto až dvěma stovkami kilogramů. S tím se samozřejmě dá pracovat, ale není to takové, že by to člověk mohl vzít do ruky. A v tom je ta jedinečnost našeho výzkumu, my ty věci zkoušíme zmenšit. To může rozšířit pole možných aplikací celé metody.

Momentálně se metoda v praxi využívá jak?

Průmyslově se nejvíc používá ke kontrole čistoty vzduchu v polovodičovém průmyslu. Je zajímavé, že takové použití jsme původně ani vůbec nezamýšleli, tu obrovskou přidanou hodnotu ukázaly až tržní mechanismy.

V polovodičovém průmyslu, například při výrobě procesorů se totiž musí hlídat, jestli se do vzduchu náhodou neuvolnila nějaká žíravina, která se běžně používá k odleptávání nanoskopických částeček čipů. Kdyby se to stalo, všechny procesory by se musely vyhodit. Jejich výroba navíc trvá 40 dní. Velkých objemů výroby, milionů kusů procesorů, se proto dosahuje tím, že se jich současně vyrábí velké množství.

Kdyby se náhodou někomu třeba 30. den výroby rozlila nádoba s žíravinou, tak dojde k obrovské škodě. Všechny procesory by se musely vyhodit a 30 dní provozu celé linky by bylo k ničemu. Díky tomu se výrobcům naše technologie vyplatí. I když se tímto způsobem podaří zachránit jedno procento produkce, ušetří se obrovské peníze.

Co třeba měření znečištění ovzduší? Jsou nějaké látky tak škodlivé, že mají význam i v tak malých koncentracích, které ostatní běžná měření nezachytí?

Existují některé látky, které mohou být karcinogenní. To platí určitě o benzenu. Jde o látku, která nemá žádný bezpečný limit, takže i jedna miliardtina ve vzduchu ve městě, kde žije třeba milion lidí, může statisticky zvýšit riziko rakoviny. Zároveň jde ale o silně regulovanou látku, která by se dneska už v podstatě neměla používat. V tomhle případě se v Evropě šlo cestou totálního vyloučení z výroby podobně jako třeba u olova. Vnější prostředí je proto u nás čisté, není to až takový problém, znečištěný vzduch těkavými látkami je zejména v interiéru.

Kde konkrétně?

Jednou z hlavních oblastí jsou automobily. Tam je vůbec těžké se dostat k nějakým informacím, ale automobil vyrobený z plastu a dalších věcí produkuje toxické látky do vnitřního prostředí. Obzvlášť to platí, když se třeba auto zahřeje na slunci nebo když se uzavře výměna vzduchu s venkem. Tohle by z vědeckého hlediska stálo za to analyzovat, z průmyslového hlediska je to velmi citlivá věc.

Automobilový průmysl má teď problémy zleva zprava, ať už s nedostatkem součástek nebo s přechodem na zelené technologie. Říct jim ještě teď, že musí začít regulovat interní znečištění, tak už nás asi někam pošlou.

Firmy jsou si ale samy vědomy, že to je problém, škodlivé látky v automobilech monitorují, ale nezveřejňují to. Víme o tom něco z Číny a Austrálie, kde je to jaksi otevřenější. Je to problém, který může ovlivňovat lidské zdraví. Určitě je to tak, že když jede člověk po dálnici, má uvnitř auta horší prostředí než lidi, co stojí vedle ní. Dýchá totiž zároveň zplodiny z aut před ním i to, co se uvolňuje z vnitřku vozidla.

Další oblastí jsou nízkoenergetické nebo tzv. pasivní domy. Tam se ztrátě tepla předchází i tak, že se ten dům totálně utěsní, přirozené větrání neprobíhá a proudí tam jen velmi malé množství vzduchu. V takové budově s uzavřeným oběhem vzduchu, se mohou hromadit organické těkavé látky. A to jak z lidí a potravin, které nejsou až tak škodlivé, ale hlavně ze všech plastů, nábytku, podlah a tak dále. To je určitě směr výzkumu, který je do budoucna velmi důležitý. Musíme vyzkoumat, které látky lidem škodí. To totiž nikdo zatím pořádně neví.

Potenciál má měření i pro využití v medicíně, o co přesně jde?

Velký zájem o tuto metodu je v oblasti analýzy lidského dechu pro klinické účely.

Co nám může taková analýza říct?

Měřením koncentrací nějakých konkrétních látek v lidském dechu získáte jednoduše další informaci. Je to podobné jako s tělesnou teplotou, ta sice není specifická pro určitou infekci, ale dá nám informaci, že v těle nějaká infekce probíhá. Některé konkrétní látky se už dokonce mohou použít pro přímou diagnostiku, protože je u nich známá souvislost s konkrétním onemocněním. Zatím to ale neplatí o těch, kterým se nejvíc věnujeme, tedy o organických těkavých látkách.

O kterých to tedy platí?

Pro diagnostiku už se používá třeba oxid dusnatý. Z jeho koncentrace se dá určit, jestli je příčinou kašle u dětí atopické astma nebo nějaká jiná plicní nemoc. To už se běžně používá na alergologii.

Podobně se v některých zemích používá analýza vodíku pro určení malabsorbce fruktózy. To je porucha, kterou trpí asi 20 až 30 % lidí, ale většinou jim nezpůsobuje nic zvlášť závažného. Lidem, kteří tím trpí a přijímají hodně fruktózy, se přemnožují bakterie ve střevech a můžou působit všelijaké nespecifické problémy, které mohou vyústit až v deprese.

Může pak docházet k takovému bludnému kruhu, kdy lidé přijdou na psychiatrii, kde dostanou radu, ať zlepší životosprávu, oni začnou jíst víc ovoce a ještě si přitíží. Dá se tomu předejít analýzou dechu. Ta když odhalí po konzumaci fruktózy velké množství vodíku, je to jasná malabsorbce. Diagnostikovaným lidem s depresí pak může stačit omezit konzumaci ovoce a průmyslově zpracovaných džemů. Používá se to třeba v Německu a v Rakousku, u nás ne.

Jsou na obzoru i nějaké aplikace přímo vaší analýzy dechu?

Mezioborový výzkum, kterého se účastníme s pomocí metod, které jsme vyvinuli, míří spíš do budoucna. Chceme určit nějaké látky, které by se daly použít podobným způsobem.

Naposledy jsme se zabývali měřením pentanu pro zánětlivá střevní onemocnění. Dělali jsme už měření ve spolupráci s lékaři a zjistili, že pentan je zvýšený právě u těch pacientů, co mají tento zánět. Nedá se říct, že by pentan byl specifickou diagnózou těchto onemocnění, ale ukazuje, že je někde v těle zánět. Je to jedno z kritérií, které pomůže určit diagnózu.

A tady už by se hodilo, kdyby ty přístroje byly menší…

Ano. Hodilo by se, kdyby byly menší a šlo tu analýzu udělat rovnou na klinice. To je jedna možnost. Pacient by přišel, fouknul, ukázalo by se, jaká je koncentrace pentanu a pacient by šel pryč.

Druhou možností by mohl být odběr vzorků a následné odeslání do laboratoře podobně jako u odběrů krve. Jako nejlepší možnost se tam jeví sorbční trubičky. To jsou trubičky velké asi jako propiska, které jsou naplněné sorbentem (porézním práškem *pozn. red.) a na jeho povrchu se zachycují těkavé látky. Zní to jednoduše, ale v praxi to zatím spolehlivě nefunguje a my se to snažíme vyřešit.

Bylo by to o hodně méně invazivní vyšetření než odběr krve. Ten z psychologického hlediska není vždy úplně přijatelný. Máme tu nějakou fobii z jehel a tak dále. I z toho důvodu se u praktického lékaře běžně a rutinně krev nebere. Na rozdíl od toho je téměř rutinní vyšetření moči, ale ani tam to není úplně jednoduché.

Mohly by v budoucnu odběry dechu nahrazovat odběry krve?

To by asi nebylo možné. Spíš by to bylo další médium, které by se dalo analyzovat. Nahradit by se to dalo možná u screeningu diabetu na základě měření acetonu.

Je v dohledu nějaká další aplikace vaší metody pro medicínu nad rámec měření pentanu?

Ještě zaznamenáváme zájem o využití analýzy dechu pro lékaře zabývající se onemocněním jater. Konkrétně u těch, které nesouvisí s alkoholem. Lékaři by rádi měli diagnostiku, kterou se určí, že to onemocnění se zhoršilo na určitou fázi. V současnosti se to dělá biopsií z jater, což je hodně invazivní záležitost, protože se do nich musí píchnout jehla. Teprve na základě rozboru odebrané tkáně se zjišťuje fáze jaterního poškození. Takže tady je obrovský zájem, aby existoval test dechu, který by uměl určit stupeň a závažnost poškození jater.

Další oblast je sepse pacientů na intenzivní péči na ventilaci. Tam by analýza dechu mohla odhalit začátek sepse hned jak začne, tedy ještě před tím než má pacient horečky a další komplikace. Tohle zajímá lékaře z několika českých nemocnic. Tady to ale není jednoduché. Naplánovali jsme na to výzkumný projekt, který by měl náklady kolem 10 milionů.

Tohle tedy byly dvě oblasti, kde si osobně myslím, že je využití analýzy dechu velice reálné. Pak jsou oblasti, kde je sice zájem obrovský, ale pravděpodobnost, že se to povede, je možná menší.

Které?

Ve Velké Británii je velký zájem o screening rakoviny tlustého střeva dechovým testem. Je to ve fázi výzkumu, kterého se sám účastním a vypadá to slibně. Pokud se to povede, tak to Britové hned nasadí.

Když jsem mluvil s lékaři u nás, tak jsem byl poučen, že by to bylo zbytečné. V Česku totiž mají všichni od určitého věku pojišťovnou hrazenou elektivní kolonoskopii, což znamená, že si každý opravdu může zajít na vyšetření, kde se chirurg podívá endoskopem přímo do střeva a hledá tam počáteční stadia nádorů. Ale je zase samozřejmě otázka, kolik lidí toho využije.

Rakovina tlustého střeva je přitom jedna z nejrozšířenějších rakovin a když se zachytí v raném stadiu, je tam obrovská úspěšnost léčby. Když se nádor nechá vyrůst, bývá už naopak často pozdě.

Mluví se i o využití měření těkavých látek pro celníky. Těm by to mohlo sloužit jak?

Tady to využití míří spíš do zahraničí. Konkrétně do velkých přístavů, kde je potřeba kontrolovat obsah kontejnerů cestujících ze zemí mimo EU. V těch mohou být třeba zemědělské produkty napuštěné toxickými látkami, které je při cestě mají chránit před škůdci a plísněmi. No a pokud do takového kontejneru vstoupí celník a zvlášť pokud to bude jeho celoživotní zaměstnání, bude mít poškozené zdraví. Takže v Evropě, Austrálii, Kanadě i USA se pomocí této metody kontroluje ovzduší v kontejnerech, ještě než do nich někdo vstoupí.

Minuli jsme ještě nějakou oblast, kde má metoda praktické využití?

Ještě potravinářství. Tam se pomocí ní dá kontrolovat čerstvost a kažení. Příkladů je spousta, jeden zajímavý, na který jsme se dívali nedávno, je třeba tzv. čerstvý losos. My můžeme kontrolovat kvalitu a zjistit, jestli ten losos, co přijde k nám například po 15 dnech z Norska, je opravdu stále čerstvý. Můžeme ale možná i prodloužit dobu, po kterou čerstvý vydrží, ukázalo se, že tomu pomáhá třeba potření koprovým olejem.

V tomhle je vidět obrovský úspěch, dneska je totiž skutečně možné koupit si v obchodě lososa z Norska nebo nějaký salát z Itálie, který je doopravdy čerstvý.