Hat-nyolc éven belül lehetnek meg annak a magyarországi kutatásnak a kezdeti eredményei, amely azt teszteli, hogy az attoszekundumos molekuláris ujjlenyomat technológia képes-e vérmintákból betegségek kimutatására, és ezzel felhasználható lehet-e daganatos vagy szív-és érrendszerek megbetegedések korai felismerésére – válaszolta a Qubit kérdésére Krausz Ferenc Nobel-díjas fizikus a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem által szombat este rendezett sajtóbeszélgetésen.

A Health for Hungary (H4H) program már több mint három éve zajlik 10 ezer önkéntes bevonásával, és hamarosan még ötezren csatlakoznak majd hozzá. Krausz szerint a kutatásnak azért kell legalább 2030-ig tartania, mert össze kell gyűlnie egy adott számú egyénnek, akinél kialakul valamilyen betegség, majd ezt a jelenlegi módszerekkel az orvostudomány diagnosztizálja is. Csak ezután tudják ezeket összegyűjteni, és annak a mesterséges intelligencia (AI) algoritmusnak a tanítására használni, amely az attoszekundumos lézerekkel és infravörös színképelemzéssel mért vérminták kielemzését végzi.

Az 1962-ben Móron született Krausz tavaly két francia kutatóval, Pierre Agostinivel és Anne L’Huillier-vel együtt kapta meg a fizikai Nobel-díjat az ultragyors lézertudomány és az attoszekundumos fizika terén elért eredményeiért. A bizottság indoklása szerint ezzel „az anyagban lévő elektronok dinamikájának tanulmányozására szolgáló attoszekundumos fényimpulzusokat létrehozó kísérleti módszereket” értékelte.

A németországi Max Planck Kvantumoptikai Intézet igazgatója és a müncheni Lajos–Miksa Egyetem kutatója szombat délelőtt vette át a BME rektorától, Czigány Tibortól és a Neumann Társaságtól a Műegyetem Neumann professzori címét, majd késő délután közel egyórás előadást tartott a lágymányosi campuson található modern és tágas Q épületben. Az egyetem egykori oktatójáról, Simonyi Károly mérnök-fizikusról elnevezett terem teljesen megtelt, nagyobb részt egyetemi hallgatókkal, és aki nem fért be, az egy másik teremből, projektoron keresztül követhette nyomon a fizikus előadását.

A teremválasztás kapóra jött az 1987-ben a BME-n villamosmérnökként diplomázó Krausznak, mert így fel tudta eleveníteni, hogy mennyire fontos inspirációt jelentett neki Simonyi, aki még őt is tanította. Amikor a mérnök-fizikus az elektronokról beszélt, az olyan volt, mintha látná, miként mozognak – mesélte Krausz. Ez akkor még emberi műszereknek mérhetetlen volt, de mára ez az általa kidolgozott Nobel-díjas technológiának köszönhetően megváltozott.

Az elektronok mozgásának fénnyel történő megfigyeléséről szól az attoszekundumos fizika

A fizikus előadásában Rubik Ernőt idézte arról, hogy mennyire fontos megtalálni a megfelelő kérdéseket, és azt tanácsolta a teremben összegyűlteknek, hogy tanulják meg, hogyan kell kérdezni. Egy kutató számára vannak alapvető kérdések, például hogy miért folytatja ezt a munkát, és egyáltalán miért fontos a kutatás. Krausz szerint fontos motiváló erő a kíváncsiság, de ami leginkább át tudja segíteni az embert az akadályokon, az az, ha abban hisz, hogy kutatása egyszer valami fontos dolgot eredményezhet.

A fizikusnak munkája során két fő kérdés jutott: meg tudjuk-e figyelni az elektronok mozgását, és találhatunk-e ennek valami alkalmazást, ami javíthatja az életminőséget a bolygón. Mint elmondta, az előbbi történet még a 19. században kezdődött, Joseph Thomsonnal, aki megállapította, hogy léteznek az elektronoknak nevezett parányi részecskék, amelyek az atom részei, és konvenció szerint negatív töltésűek. Aztán jött Rutherford, akinek köszönhetően tudjuk, hogy ezt egy pozitív töltésű atommag kompenzálja, majd az is kiderült, hogy az elektron nemcsak részecske, hanem hullám is, és minél rövidebb a hullámhossza, annál nagyobb az impulzusa: ebből következik, hogy nem kerülhet tetszőlegesen közel az atommaghoz. Ez megihlette Schrödingert, aki felállította hullámegyenletét, amely megadja például a hidrogén egyetlen protonból álló atommagja körül az elektron valószínűségi eloszlását.

De mit jelent akkor az elektronok mozgása? A fizikus szerint amikor egy foton beesik egy atomra, felgerjeszthet egy elektront magasabb energiaállapotba, és ha ez bekövetkezik (ennek 50 százalék a valószínűsége), akkor a hullámfüggvény már mozgást mutat. A Schrödinger-egyenlet 1926 óta megadja, hogy ez miként történik meg, és ez veti fel ténylegesen a kérdést, hogy meg lehet-e valaha figyelni ezeket a mozgásokat. Ehhez a leggyorsabb, mikroszekundumos (10^-6 másodperc) gyorskamerák már nem elegendők, de az elv ugyanaz: pillanatfelvételt kell készíteni a gyors mozgásról, olyan expozíciós idővel, amely befagyasztja azt.

Ahhoz, hogy éles képet kapjunk az elektronokról, 10 milliárdszor rövidebb megvilágítási idő kell, mondta, ami 100 attoszekundumos (10^-16 másodperc) fényimpulzusokkal valósítható meg: ehhez a lézerekkel sok hullámhosszon kell egyszerre fényt előállítaniuk, majd ezeket a különböző hullámhosszakat szinkronizálni kell egymással, hogy legyen egy rövid pillanat, amikor a hullámok csúcsa egybeesik, és a lézer leadja a kívánt attoszekundumos impulzust. Krausz szerint az elektronok mozgását kizárólag fénnyel kontrollált módon lehet indítani és megfigyelni a fény és az elektronok közötti kölcsönhatás kihasználásával – erről szól az attoszekundumos fizika.

Az attoszekundumos mérésekhez szükséges lézerimpulzusos technológiát Krausz és kollégái 2001-ben publikálták a Nature-ben, majd 2008-ban sikerült 100 attoszekundumnál is rövidebb impulzusokat előállítani. Ezáltal már mérhetővé vált a látható fény hullámzása is, és Krausz szerint ez vezetett el végül az infravörös ujjlenyomatos alkalmazáshoz. Az attoszekundumos méréstechnológiával ugyanis biológiai folyamatokat is meg lehet figyelni, például azt, hogy a Napból érkező és a bőrünket érő ultraibolya (UV) sugárzás miként károsítja a molekulákat, és vezet különböző biokémiai folyamatokon keresztül bőrrák kialakulásához.

Daganatos betegségek korai diagnosztikáját hozhatja magával az infravörös ujjlenyomat technológia

Krausz előadásában elmondta, hogy több mint egymillió, négyes stádiumú tüdőrákos beteget diagnosztizálnak a világon évente, és ha valaki egy olyan tudományterületen dolgozik, ami segíthet ezt enyhíteni, akkor azt kötelessége megpróbálni. A fő cél szerinte az, hogy a megbetegedéseket – köztük a daganatos betegségeket – minél hamarabb fel lehessen ismerni, amihez mindenképpen valamilyen megfizethető vértesztet kell létrehozni. A vér ugyanis rengeteg információt tartalmaz, csak a jelenleg használt betegség-biomarkerek nem elegendők ennek kiaknázására, és túl sok hamis diagnózist adnak. Az infravörös ujjlenyomat technológiának ezzel szemben teljesen más alapjai vannak: nem egy-egy markert akarnak kiválasztani a több százezer, vérben található molekula közül, hanem egy olyan jelet keresnek, ami az összes molekula jelenlétéről és koncentrációjának időbeli alakulásáról árulkodik.

Ennek a jelnek a megtalálásához az infravörös spektroszkópiát hívják segítségül, amely a vérmintán átjutó infravörös fény színképét méri, amin megjelenik a különbözőképpen gerjedő molekulák egyedi lenyomata. A kutató szerint a hagyományos színképelemző eljárásoknál túl nagy a zaj, és viszonylag gyenge jelből kell megmondani, hogy milyen molekulák vannak a vérben.

Ehhez képest az attoszekundumos technológiával óriási érzékenységgel tudják letapogatni a vér összetételét, és már sokkal enyhébb változásokat is érzékelnek. Már csak azt kellett megválaszolni, hogy egy betegség elég nagy változást okoz-e a vérminta infravörös ujjlenyomatában, ami valójában nagyrészt 12 fehérje koncentrációjának változását jelenti. Krausz kérdésünkre elmondta, hogy a vérben sok száz, sok ezer molekula koncentrációját tudják kimutatni, de ebben nincsenek benne olyan jelátvivő molekulák, amelyek a daganatos sejtekből kerülnek a vérbe. Ehelyett, amit a módszerük lát, az a szervezet egészének a tumor növekedésére adott válasza.

Egy közel ezer fő bevonásával lefolytatott kutatás – 470 daganatos beteg és további 470, kontrollként szolgáló önkéntes – során Krausz szerint jelentős különbséget láttak a tüdődaganatos betegek görbéi (a bemutatott ábrán pirossal) és a „referencia” (kékkel) között, miközben nagyon figyeltek arra, hogy a két csoport életkorra, nemre, testtömegre és más, egészségügyi szempontból lényeges tényezők esetén egymáshoz nagyon hasonló legyen. Ha ennek a mintának 80 százalékát felhasználva betanítanak egy mesterséges intelligencia (AI) algoritmust, és 20 százalékával letesztelik azt, akkor meg lehet különböztetni az 1-es, 2-es és 3-as stádiumú daganatos beteg és az egészséges ember vérmintáját. Krausz szerint a módszer hatékonyságát egyelőre tüdőráknál és prosztatakránál vizsgálták, de vannak arra mutató jelek is, hogy jól alkalmazható lehet anyagcsere-betegségek és talán még szív- és érrendszeri betegségek kimutatására is.

Ahhoz viszont, hogy az algoritmus elég hatékony legyen, rengeteg mintára van szükségük, legalább egymillióra. A Health for Hungary kutatás során eddig 46 ezer vérmintát gyűjtöttek, hogy azokat az attoszekundumos infravörös ujjlenyomat technológiával megvizsgálják. A szakember szerint a hamarosan 15 ezer résztvevőre bővülő projektet legalább 10 évesre tervezik, ami alatt statisztikailag biztos, hogy lesz majd számos daganatos, valamint szív- és érrendszeri megbetegedés is a résztvevők között. Ezekkel le tudják majd tesztelni, hogy módszerük valóban képes-e arra, hogy ezeket a megbetegedéseket időben észlelje. Ha beválik, akkor arra később felépülhet egy államilag finanszírozott szűrőprogram, de a kutató szerint itt legalább 15-20 évnyi átfutási időre lehet számítani.

A szakember szerint az ideális az lenne, ha el tudnának jutni egy olyan stádiumba, ahol már 10-20 eurós (3800-7700 forint) költségen elvégezhetők ezek a vértesztek, mert így legalább az esély meg van rá, hogy az egészségügyi rendszer által finanszírozható lehet, amit ő kulcsfontosságúnak tart. Egyelőre viszont azt kell feltárni, hogy a módszer tényleg biztosítja azt az adathalmazt, amire szükség van: Krausz újságírói kérdésre elmondta, hogy nem mer ígéretet tenni, hogy infravörös ujjlenyomatos módszerükkel biztosan megmenthetők lesznek daganatos betegek, mert ehhez egyelőre még túl sok a kérdőjel. Ezek egy része tudományos jellegű, de az sem biztos még, hogy az egészségügy vevő lesz-e erre, és lesz-e rá finanszírozás.

A fizikus szerint ha a 2030-as évek elején kezükben lesznek a bíztató eredmények, azzal már el tudnak menni a döntéshozókhoz, és viszonylag gyorsan kiépíthető lehet egy lakossági szűrővizsgálati rendszer, ami először kockázati csoportokba tartozókat célozná. Arra a kérdésre, hogy pályájára visszatekintve min változtatna, azt mondta, hogy már 2005-ben el kellett volna kezdenie a diagnosztikai technológia fejlesztésével foglalkozni, nem csak 10 évvel később, 2015 tájékán.

Tragikus a Horizontból történő kizárás, de meg fog oldódni

A sajtóbeszélgetésen előkerültek a BME finanszírozási problémái is. Amint korábban egy, az egyetem szenátusának április 29-ei ülésén készült hangfelvétel alapján megírtuk, Czigány Tibor, az egyetem rektora bejelentette, hogy nem pályázza meg a második ciklusát, és utalt a modellváltás kormányzati kényszerére is. Amint a 444 cikkéből kiderül, ugyanezen az ülésen elhangzott az is, hogy az egyetem működtetésére rendelkezésre álló források már nem fedezik a legszükségesebb kiadásokat sem.

Krausz újságírói kérdésre azt válaszolta, hogy „én nyilván gondolok erről valamit, de a kérdés talán túlságosan komplex ahhoz, hogy ezt néhány rövid mondatban meg lehessen válaszolni. Az magától értetődő, hogy azt szeretném, hogy minden magyar felsőoktatási intézményben legideálisabb körülmények között működhessen az oktatás és a kutatás, a jövő generációk képzése, és ez alól a Budapesti Műszaki Egyetem sem kivétel”. A fizikus hozzátette: „Nagyon remélem, hogy ezek a feltételek teljesülni is fognak, és nagyon sajnálom, ha jelenleg ez nem így van”.

A modellváltó, alapítványi fenntartásba kerülő egyetemek tavaly óta nem vehetnek részt a Horizont Európa kutatásfinanszírozási programban az Európai Unió Tanácsának döntése értelmében. Krausz újságírói kérdésre elmondta, hogy a kizárás „egy egészen tragikus helyzet, ami nyilván hosszú távon nem tartható fent, és én nem csak bizakodom, hanem meg is vagyok győződve arról, hogy ez az állapot hamarosan meg fog szűnni, maximum 1-2 év” távlatában.

A kutató szerint „a jelenlegi magyar rendszer az első gyermekbetegségeit kiküszöbölve tulajdonképpen teljesen rásimul a Nyugat-Európában használatos rendszerre” és „a működés nagyon hasonló”. Emiatt nem hinné, hogy ez a jelenlegi szankciós állapot hosszú távon fenntartható, ami „nyilván következménye a kettős mércének, amit nem csak ezen a területen alkalmaz az Európai Unió”.

A fizikus sajtóbeszélgetésen azt is megosztotta, hogy Nobel-díja óta rengeteg előadást tart és meghívásnak tesz eleget. Eközben bár tartja a kapcsolatot a kutatócsoportjával, csak az idejének maximum 10 százalékát tudja tudományos kutatásra fordítani. Karikó Katalinhoz hasonlóan, akinek tavaly ítélték meg az orvosi-élettani Nobel-díjat, Krausz is minél hamarabb vissza kíván térni a kutatáshoz, és azt szeretné, ha munkaidejének legalább felét vagy kétharmadát ismét az töltené ki.

A cikkben eredetileg nem szerepelt, hogy a Neumann professzori címet Krausznak a BME és a Neumann Társaság közösen ítélte meg.