Speciální sekce: BIOMEDICÍNA

uvod biomedicina

12/4/07

2:08 PM

Stránka 46

Speciální sekce:

BIOMEDICÍNA

ědy o životě jsou důležitou součástí současného výzkumu. Jsou důležité jednak proto, že umožňují hlubší pohled do podstaty pochodů pro život nezbytných a dokonce takových pochodů, které jsou základem života, ale také proto, že přinášejí poznatky, které lze využít v praktických projektech. Mezi nejvýznamnější výsledky pak patří ty, které lze využít v medicíně.

V

Akademie věd České republiky má několik ústavů, v nichž je výzkum zaměřen právě tímto směrem. Svůj vědecký program představují na následujících stránkách. Myslím, že je z nich dobře patrné, že biomedicínský výzkum v Akademii je provázán s výzkumem aplikovaným, ať už realizovaným přímo na ústavech nebo ve firemních laboratořích. Jsem rád, že na ústavech pracuje stále více studentů a mladých vědeckých pracovníků, stále častěji potkávám na chodbách cizince, stále častěji slyším angličtinu. Po letech útlumu je česká věda opět součástí vědy světové. Svoboda bádání, otevřená vý-

46

SCIENTIFIC AMERICAN ČESKÉ VYDÁNÍ

měna názorů a spolupráce se zahraničím jsou běžnou součástí naší vědecké práce. Díky globálním databázím je dnes snadné zhodnotit vědecký výkon výzkumných skupin i jednotlivců. Tato analýza ukazuje, že biomedicínské ústavy Akademie věd se stále lépe uplatňují v mezinárodní konkurenci. Roste počet publikací v renomovaných mezinárodních vědeckých časopisech a rostou i ohlasy na ně. Stále více se rozvíjí spolupráce s průmyslem, který oceňuje praktický přínos vědy a z něj plynoucí zisk, a dobré vědecké týmy u nás nacházejí stále lepší podmínky ke své práci. Hlavním současným mottem Akademie věd je posilování excelence a útlum podprůměrnosti. Jsem rád, že se úspěchy naší biomedicíny čím dál více promítají do medicínské praxe a do biotechnologických výrob – zkrátka slouží lidem. Prof. RNDr. Václav Pačes, DrSc. předseda Akademie věd České republiky ČERVENEC–SRPEN 2007

uvod biomedicina

12/4/07

2:08 PM

Stránka 47

Otevřena nová budova Ústavu molekulární genetiky AV ČR

Nová budova Ústavu molekulární genetiky AV ČR v Praze - Krči

Slavnostní přestřižení pásky: Miroslava Kopicová, Václav Pačes a Dana Kuchtová

Ve čtvrtek 19. dubna 2007 byla slavnostně otevřena nová budova Ústavu molekulární genetiky Akademie věd České republiky v Praze-Krči. Ústav, který sídlil v mnoha budovách v Praze i mimo metropoli, se nyní soustředí na jednom místě. Jde o první nově postavenou budovu, kterou Akademie věd ČR dostala po roce 1990. Budova svými parametry odpovídá 21. století, zdůraznil předseda Akademie věd ČR a bývalý ředitel ústavu Václav Pačes. Stavba začala v roce 2005; náklady na ni dosáhly asi 445 milionů korun, i s vybavením včetně laboratorních technologií budou činit 607 milionů korun. Provoz v budově začal už loni v prosinci. Letos Akademie věd ČR plánuje postavit ještě zvěřinec a přednáškovou budovu se sálem pro 300 lidí. Otevření se spolu s Václavem Pačesem zúčastnil ředitel Ústavu molekulární genetiky profesor Václav Hořejší, ministryně školství, mládeže a tělovýchovy Dana Kuchtová a 1. místopředsedkyně Rady pro výzkum a vývoj Miroslava Kopicová.

Ředitel ÚMG Václav Hořejší

Jde o první nově postavenou budovu, kterou Akademie věd ČR dostala po roce 1990.

V jedné z moderních laboratoří

www.sciam.cz

Jednu ze čtyř skupin návštěvníků provázel Ústavem molekulární genetiky předseda AV ČR Václav Pačes. SCIENTIFIC AMERICAN ČESKÉ VYDÁNÍ

47

ustav genetiky

12/4/07

2:04 PM

Stránka 48

BIOMEDICÍNA

Ústav molekulární genetiky AV ČR, v.v.i. Historie Historie ústavu se odvíjí od Oddělení experimentální biologie a genetiky Biologického ústavu ČSAV, jehož vedoucím byl od roku 1953 Milan Hašek, spoluobjevitel imunologické tolerance. V roce 1961 byl založen Ústav experimentální biologie a genetiky ČSAV (ÚEBG), je-

hož ředitelem byl až do roku 1970 Milan Hašek. Šedesátá léta 20. století jsou bezesporu nejslavnější kapitolou ústavu - v té době se zrodila „československá imunogenetická škola“ reprezentovaná kromě Haška jmény jako Pavol a Juraj Iványi, Jan Klein a další. Je všeobecně známo, že Milan Hašek měl blízko k Nobelově ceně (za objev imunologické tolerance byla udělena P. Medawarovi a M. Burnetovi); Pavol Iványi se významně podílel na experimentech, za které později dostal Nobelovu cenu Jean Dausset; Jan Klein se po emigraci do USA stal v sedmdesátých letech pravděpodobně nejvýznamnějším světovým

imunogenetikem (spoluobjevitel zásadního imunologického významu MHC proteinů). Na ÚEBG se v té době také výrazně rozvíjel světově prioritní výzkum retrovirů (Jan Svoboda). V letech 1964–2006 sídlila větší část ústavu v budově Ústavu organické chemie a biochemie ČSAV (ÚOCHB) na Flemingově náměstí v Dejvicích, menší část v komplexu biologických ústavů AV ČR v Krči. Srpen 1968 znamenal konec této slavné éry - mnozí nadějní mladí pracovníci emigrovali a velmi úspěšně si vedli na nových působištích. V roce 1977 byl ÚEBG spojen s několika biochemickými laboratořemi ÚOCHB a přejmenován na Ústav molekulární genetiky

ČSAV (ÚMG). Ředitelem ÚMG se stal Josef Říman, pozdější dlouholetý předseda ČSAV, a zůstal jím do roku 1991. Od té doby se hlavním tématem ústavu stala molekulární biologie, avšak pokračovaly i dřívější tradiční směry - imunogenetika, retrovirologie, nádorová imunologie - , které stále více přecházely na molekulární úroveň. Mezi výraznými úspěchy z jinak dosti obtížných 70. a 80. let lze uvést např. spoluobjevení reverzní transkriptázy (J. Říman), objev virogenie (J. Svoboda) či sekvenování jednoho z prvních virových genomů (V. Pačes). Po roce 1989 pokračoval na ústavu trend posilování molekulárně biologických přístupů k řešení tradičních i nově zaváděných problematik. Ředitelem byl Jan Svoboda (1991–1999) a poté Václav Pačes (1999–2005). Od roku 2005 je ředitelem ústavu Václav Hořejší.

Současnost ÚMG vstoupil letos do nové etapy své existence - koncem roku 2006 byla dokončena stavba naší nové moderní budovy v krčském areálu biomedicínských ústavů AV, která se od počátku roku 2007 stala novým sídlem velké většiny skupin našeho dosud dlouhodobě rozděleného ústavu. ÚMG tak konečně začal po formální stránce

48


ČERVENEC–SRPEN 2007

ustav genetiky

12/4/07

2:04 PM

Stránka 49

k boji proti nádorům, mapují neobyčejně složité struktury a procesy odehrávající se v buněčném jádře, atd. Naše servisní útvary zahrnují např. laboratoře mikroskopie a cytofluorometrie, genomiky a bioinformatiky, monoklonálních protilátek a kryosklad, přípravnu médií a zvěřincové provozy.

fungovat jako standardní, plnohodnotná vědecká instituce. V létě 2007 bude dokončena také přilehlá nová budova zvěřince a přibližně do února 2008 také přednášková budova se sálem pro 300 lidí, který bude sloužit celému krčskému areálu ústavů Akademie věd. Stěhování do nové budovy bylo spojeno s výraznou reorganizací ústavu. Ke konci roku 2006 byla ukončena činnost 5 méně perspektivních skupin a na ústavu začalo působit 6 nových skupin vedených mladšími vědeckými pracovníky, kteří byli vybráni v náročném mezinárodním konkursu. Další 3 nové skupiny začnou na ústavu působit v roce 2008. Byla také provedena organizační reforma servisních a podpůrných útvarů.

Ústav molekulární genetiky má v současné době 89 vědeckých pracovníků, 56 technických vysokoškolsky vzdělaných pracovníků, 54 technických pracovníků se středoškolským vzděláním, 66 doktorandů a 47 diplomantů. Celá řada našich pracovníků působí aktivně pedagogicky na vysokých školách (mezi našimi pracovníky je m.j. 5 profesorů a 6 docentů). I když za prioritní oblast činnosti ústavu považujeme základní výzkum a za hlavní výstupy naší práce publikace v prestižních meziná-

Speciální součástí ústavu je v roce 2007 tzv. Biotechnologický sektor sídlící v sousední starší budově. Pracuje v něm 6 výzkumných skupin, z nichž většina se teprve ustavuje. Biotechnologický sektor se v roce 2008 osamostatní jako nový Biotechnologický ústav AV ČR; ÚMG všemožně napomůže k etablování této nové sesterské instituce, která by v několikaleté perspektivě měla přesídlit do nové moderní budovy v biotechnologickém areálu Akademie věd ve Vestci u Prahy. V současné době v ústavu pracuje 27 výzkumných skupin (včetně skupin Biotechnologického sektoru), a to v oblastech jako je molekulární a buněčná biologie, molekulární imunologie, funkční genomika a bioinformatika, studium onkogenů, vývojová molekulární biologie, strukturní biologie a mechanismy receptorové signalizace. Naši pracovníci např. objevují nové signalizační molekuly zodpovědné za normální fungování imunitního systému, geny, jejichž poruchy vedou k přeměně normálních buněk v nádorové, vyvíjejí světově unikátní myší modely lidských onemocnění, objasňují molekulární mechanismy vývoje oka u různých typů organismů, hledají způsoby jak ovlivnit aktivitu receptorových molekul v mozku, objasňují mechanismy přirozeného odumírání buněk a jejich využití

rodních časopisech, na našem ústavu se velmi dobře daří rozvíjet i hodnotný aplikovaný výzkum směřující ke konkrétním praktickým realizacím. Také v této oblasti dosáhl ústav významných úspěchů o čemž svědčí i to, že z něj vzešlo několik dobře prosperujících spin-off firem.

Budoucnost Vzhledem k mimořádně dobrým podmínkám, které nám byly poskytnuty po dokončení nové budovy, nelze jinak, než mít opravdu vysoké cíle. Jsme přesvědčen, že ÚMG má před sebou velmi dobrou budoucnost a že může důstojně navazovat na slavnou minulost reprezentovanou jmény Milana Haška, Jana Svobody a celé řady dalších. Těšíme se, že publikace našich pracovníků se budou stále častěji objevovat v nejvýznamnějších světových odborných časopisech a že výsledky naší práce povedou ještě častěji než dosud k prakticky významným biomedicínským produktům. Kontakty: Ústav molekulární genetiky AV ČR, v.v.i. Vídeňská 1083 142 20 Praha 4 Tel.: +420 241 063 215 Tel.: +420 224 310 234 HistorieFax: +420 224 310 955 E-mail: [email protected] http://www.img.cas.cz/main.php http://www.img.cas.cz/main.php?lang=cz&subject=11

www.sciam.cz


49

fyziologicky ustav

12/4/07

1:45 PM

Stránka 50

BIOMEDICÍNA

FYZIOLOGICKÝ ÚSTAV AV ČR, v.v.i. Fyziologický ústav AV ČR byl zřízen usnesením 18. zasedání prezídia Československé akademie věd ze dne 6. listopadu 1953. Během své dlouhé existence prošel řadou změn, z nichž nejpodstatnější se odehrála počátkem devadesátých let minulého století, kdy došlo k výrazné redukci pracovníků Akademie věd a tím i ústavu. Na základě zákona č. 341/2005 Sb. se právní forma Fyziologického ústavu AV ČR dnem 1. ledna 2007 změnila ze státní příspěvkové organizace na veřejnou výzkumnou instituci. Fyziologický ústav AV ČR se v průběhu své padesátileté historie postupně profiloval tak, že v současné době představují jeho priority výzkumné projekty v oblasti neurofyziologie, kardiovaskulární fyziologie a molekulární a buněčné fyziologie. U všech těchto směrů je velmi zřetelný posun experimentálních přístupů výzkumu, kdy k úrovni systémové a orgánové přibývá úroveň buněčná a molekulární. Tento posun odráží celosvětové trendy, kde je zřetelný vliv rychlého rozvoje molekulární biologie, v níž byly vypracovány techniky genetického inženýrství aplikovatelné nejen v základním, ale i klinickém výzkumu. Tato skutečnost se v základním biomedicínsky orientovaném výzkumu odráží i ve složení pracovních týmů, které jsou v současné době tvořeny tak, aby pokryly výzkum od systémové fyziologie až po molekulární biologii. Snahou všech výzkumných týmů je studium fyziologických a patofyziologických procesů u živočichů a člověka s cílem prohlubovat teoretické základy humánní medicíny. To dobře odpovídá světovým výzkumným trendům, k jejichž rozvoji ústav přispívá. Lze říci, že jednotlivá témata, která jsou v současné době v ústavu řešena, dosahují evropské úrovně. Z řady unikátních metodických přístupů, vyvinutých v tomto ústavu, lze vyzdvihnout dva výzkumné směry, které patří k absolutní světové špičce. První směr, který navazuje na dlouholetou tradici ústavu, se zabývá ontogenetickými aspekty při řešení otázek spojených se studiem patogeneze řady závažných civilizačních chorob, jakými jsou ischemická choroba srdeční, metabolický syndrom, hypertenze a epilepsie. Pojem „kritická vývojová perioda“ byl zaveden do světového písemnictví právě pracovníky ústavu v průběhu šedesátých let, což bylo v přímé návaznosti na „českou evoluční školu“. Tento přístup představuje v současné době obecnou biologickou zákonitost - teorii tzv. „vývojových oken“. Ta vysvětluje, proč ovlivnění organismu v časných stadiích vývoje (prenatálně

50


i postnatálně) může podmínit řadu změn v dospělosti. Přitom je zřejmé, že vzájemná interakce genetických faktorů a faktorů vnějšího prostředí hraje v tomto procesu velmi důležitou úlohu. Dalším špičkovým přístupem je cílený vývoj unikátních biomodelů, jejichž pomocí lze vytvořit další terapeutické a preventivní přístupy aplikovatelné i u člověka. Z celosvětového hlediska je zcela ojedinělý soubor rekombinantních inbredních kmenů potkanů, který byl odvozen od F2 generace kříženců mezi kmenem spontánně hypertenzních potkanů (SHR) a normotenzním kmenem Brown Norway (BN). Vznikl tak ojedinělý genetický materiál, který v současné době slouží k mapování genů nejen v rámci ústavu, ale i v rámci spoluprací s řadou dalších významných pracovišť Evropy, USA a Kanady. Vedle toho ústav disponuje řadou dalších biomodelů, které jsou využívány pro studium fyziologie i patofyziologie, slouží k přípravě tkáňových kultur, izolovaných orgánů či tkání atd. Jedním z důležitých úkolů ústavu je výchova nové vědecké generace pro potřeby klinického výzkumu, výzkumu na vysokých školách a v rezortních ústavech. Snahou současného vedení je vytvářet podmínky pro transformaci ústavu v teoretickou základnu moderní integrované medicíny, kde by tito budoucí odborníci měli možnost projít údobím skutečné vědecké práce. Toto je jeden z největších praktických přínosů ústavu. S tím souvisí skutečnost, že ústav je v současné době nositelem Doktorského projektu GA ČR, který sdružuje postgraduální studenty ústavu i vysokých škol. Ve spolupráci s vysokými školami školí ústav každý rok v průměru 50 postgraduálních studentů, z nichž celá řada již své studium úspěšně ukončila obhajobou disertační práce. V této oblasti ústav spolupracuje s vysokými školami, především s Univerzitou Karlovou (jejími lékařskými a přírodovědeckou fakultou). Zároveň je ústav nositelem Centra výzkumu chorob srdce a cév, kde jsou ve spolupráci s předními odborníky 2. LF UK, IKEM a Fakultní nemocnice Motol řešeny otázky, které by bylo možné uplatnit v diagnostice, terapii a prevenci závažných kardiovaskulárních chorob. V rámci této problematiky se pracovníci ústavu podílejí také na vývoji nových ČERVENEC–SRPEN 2007

fyziologicky ustav

12/4/07

1:45 PM

Stránka 51

materiálů pro cévní a kostní náhrady, kde je patrná i spolupráce s podnikatelskými subjekty mimo výzkumnou základnu. Ústav je také spolunositelem dalších několika výzkumných center s různou tematikou. Fyziologický ústav AV ČR, v.v.i. zaujímá v Evropě významné místo po stránce vědeckého přínosu i po stránce organizační. Ústav byl a je zapojen do řady rámcových programů Evropské unie v oblasti biomedicíny a biologie. Kromě toho v rámci bilaterálních spoluprací Fyziologický ústav spolupracuje s řadou dalších předních zahraničních ústavů. Významné mezinárodní postavení ústavu rovněž dokumentuje řada vědeckých akcí (kongresů a symposií), jejichž pořádáním byli v posledních letech jeho vědečtí pracovníci pověřováni. Z celé řady významných akcí lze jmenovat XV. World Congress of International Society for Heart Research (1300 účastníků), 23th International Congress on Epilepsy (5000 účastníků) a nebo v roce 2002 společný 19th Scientific Meeting of the International Society of Hypertension and 12th European Meeting on Hypertension za účasti téměř 8000 účastníků. Ústav vydává od roku 1952 mezinárodní vědecký časopis Physiological Research (dříve Physiologia Bohemoslovaca). V něm jsou publi-

kovány výsledky normální a patologické fyziologie, biochemie, biofyziky, farmakologie a imunologie. Od roku 1956 začaly být všechny příspěvky publikovány v angličtině. Časopis prošel řadou proměn jak technického rázu, tak personálního obsazení redakce. V současnosti zájem o publikování v časopise rok od roku stoupá, tak jak stoupá impakt faktor časopisu (v současné době dosáhl 2.093). Veškeré informace o časopise a podmínky pro autory je možné nalézt na stránkách www.biomed.cas.cz/physiolres. Kontakty: Fyziologický ústav AV ČR, v.v.i Vídeňská 1083 142 20 Praha 4 tel: 24106 2424 fax: 24106 2488 E-mail: [email protected] http://www.biomed.cas.cz/fgu/

A

B

200 µm

1 mm

C

D

200 µm

25 µm

Inovace klinicky užívané cévní protézy z polyetylentereftalátu (PET), vyráběné v podniku VÚP a.s., Brno. A: vnitřní povrch neupravené protézy, B: imobilizace proteinových vrstev (kolagen+laminin nebo kolagen+fibrin) na vnitřním povrchu protézy, C: imunofluorescence von Willebrandova faktoru, markeru identity a diferenciace endotelových buněk, v lidských endotelových buňkách v. saphena v kultuře na vnitřním povrchu protézy pokrytém kolagenem a lamininem, D: detail vrstvy endotelových buněk, rostoucích na vnitřním povrchu protézy pokrytém kolagenem a fibrinem, s imunfluorescenčně značenými talinovými fokálními adhesními plaky. A,B: konvenční optický mikroskop, C,D: konfokální mikroskop Leica DM 2500. www.sciam.cz


51

ustav mediciny

12/4/07

1:52 PM

Stránka 52

BIOMEDICÍNA

ÚSTAV EXPERIMENTÁLNÍ MEDICÍNY AV ČR, v.v.i. EU Centre of Excellence Z historie ústavu Ústav experimentální medicíny (ÚEM) vznikl v r. 1975 sloučením čtyř samostatných laboratoří Akademie věd, laboratoře plastické chirurgie, laboratoře fyziologie a patofyziologie zrakového analyzátoru, otolaryngologické laboratoře a laboratoře ultrastruktury buněk a tkání. V průběhu let byla pro

studenti financovaní z grantů EU i ze mzdových prostředků ústavu. Čeští i zahraniční studenti mohou studovat i ve 3 výzkumných centrech MŠMT: Centrum buněčné terapie a tkáňových náhrad (ved. Prof. E. Syková), sdružuje několik pracovišť, má prioritní nálezy v oblasti transplantace kmenových buněk, značení buněk superparamagnetickými nanočásticemi, zobrazovacích technik , nanotechnologií a ve vývoji biokompatibilních hydrogelů pro tkáňové náhrady.

Centrum : Nová antivirotika aantineoplastika, oddělení Dr. Z. Zídka se podílí na farmakologickém výzkumu, např. objevu nových látek s imunomodulační aktivitou, významnou v terapii HIV.

Centrum neurověd (ved. Prof. J. Syka), sdružuje významná pražská výzkumná pracoviště v oboru neurověd a podílí se na výzkumu mechanizmů iontových kanálů, gliových buněk, synaptického a extrasynaptického přenosu, výzkumu centrálních mechanizmů sluchu a bolesti a mechanismů onemocnění mozku a míchy.

Budova Ústavu experimentální medicíny AV ČR v Krči. ústav získána budova bývalé kliniky popálenin v dnešní Legerově ulici. V r. 1984 se stal ředitelem ústavu farmakolog Prof. Jiří Elis, r. 1989 teratolog Prof. Richard Jelínek. V r. 1993 se ústav přestěhoval do nové budovy v areálu biomedicínských ústavů AV v Praze 4 - Krči. Pod vedením Prof. Josefa Syky se ústav v letech 1994 –2001 stal předním ústavem českého biomedicínského výzkumu a Evropským Centrem Excellence. Od r. 2002, pod vedením současné ředitelky Prof. Evy Sykové, se vědecké spektrum ústavu sloučením s Farmakologickým ústavem AV ČR rozšířilo o farmakologický výzkum a výrazně byla posílena oblast výzkumu kmenových buněk a tkáňových náhrad.

Současnost

Návštěva prezidenta ČR Václava Klause v Ústavu experimentální medicíny AV ČR v červnu 2005.

52

Ústav je dnes uznávaným výzkumným centrem. Dokladem toho je statut Centra excellence EU, široká účast pracovníků v projektech 6. RP EU a rozsáhlá domácí a mezinárodní spolupráce v oblasti biomedicínského výzkumu. V ústavu pracují jako vedoucí oddělení nejen naši významní vědci, ale několik oddělení záměrně vedou mladí pracovníci, kteří se vrátili ze zahraničních pobytů. V ústavu běžně pracují zahraniční postgraduální


V rámci společných pracovišť ústav spolupracuje s lékařskými universitními pracovišti s rezortními ústavy MZ a s četnými ústavy AV ČR. Spolupráce se uskutečňuje v oblasti výzkumu, výuky pregraduálních a postgraduálních studentů, a konkrétní realizaci výsledků v klinické praxi. Pracovníci ústavu organizují celou řadu kongresů a symposií, výukových kurzů a letních škol, řeší 15 zahraničních projektů, především v rámci 6. RP EU. V současné době má ústav 12 samostatných vědeckých oddělení : Oddělení neurověd se skládá ze dvou nezávislých laboratoří. Laboratoř tkáňových kultur a kmenových buněk je zaměřena na získávání, značení a kultivaci různých typů kmenových buněk s cílem vytvořit podmínky pro užití různých buněčných typů pro transplantační účely. Laboratoř difúzních studií a zobrazovacích metod se zabývá studiem iontové a objemové homeostázy a extrasynaptického přenosu signálů v mozku a míše. Oddělení neurofyziologie sluchu je zaměřeno na studium receptorů, iontových kanálů, struktury a funkce sluchového systému za normálních podmínek a během působení patologických činitelů jakými jsou intenzivní hluk, účinek ototoxických látek a stárnutí. Oddělení buněčné neurofyziologie je zaměřeno na studium buněčných a molekulárních základů integrace neurálních sítí prostřednictvím charakterizace mezibuněčných signálů mezi neurony a gliovými buňkami. Oddělení farmakologie je zaměřeno na výzkum možnosti farmakologické modulace solubilních faktorů, např. cytokinů, chemokinů a oxidu dusnatého, které hrají roli v obranných mechanismech vůči infekcím. Další oblastí výzkumu je analýza příčin a možnosti léčby špatně se hojících lézí především předního segmentu oka. Oddělení genetické ekotoxikologie je zaměřeno na studium poškození DNA a genovou a proteinovou expresi působením genotoxických a karcinogenních látek s použitím in vitro systémů nebo v populačních studiích. Podílí se na řešení Programu Znečištění ovzduší a zdraví v ČR. Oddělení teratologie se zabývá problematikou experimentální a klinické teratologie s cílem přispět k poznání etiopatogeneze vývojových vad. Oddělení molekulární biologie nádorů je zaměřeno na stanovení a valiČERVENEC–SRPEN 2007

ustav mediciny

12/4/07

1:52 PM

Stránka 53

dizaci různých biomarkerů, definovaných jako ukazatele expozice, účinků a individuální vnímavosti a na kauzální procesy vzniku nádorového bujení. Oddělení molekulární embryologie se zabývá studiem regulačních mechanismů, které se uplatňují v řízení biologických vlastností zárodečných buněk, tzv. embryonálních kmenových buněk. Cílem experimentů je vytváření teoretických předpokladů pro jejich biomedicínské využití. Laboratoř tkáňového inženýrství se zabývá konstrukcí artificiálních nosičů buněk a tkání. Hlavním záměrem je realizace umělých chrupavčitých a kostních tkání na bázi autologních buněk. Laboratoř buněčné biologie se zabývá strukturně funkční charakterizací buněčného jádra savčích buněk s důrazem na lidské buněčné modelové systémy. Výzkum se týká replikace, transkripce a uspořádání jaderného chromatinu. Oddělení mikroskopie zabezpečuje provoz přístrojů v oblasti mikroskopické techniky ÚEM a zabývá se studiem uspořádání, dynamiky a funkce buněčných kompartmentů, neohraničených membránou. Oddělení pro technologický transfer je zaměřeno na výzkum, technologický transfer a podporu spolupráce mezi odděleními ÚEM a podnikatelskou sférou v oborech regenerativní medicíny, farmakologie a zobrazovacích metody prostřednictvím vzdělávání (projekt JPD3) a výzkumné a vývojové činnosti v Inovačním biomedicínském centru ÚEM (projekt JPD2). Transfer výsledků výzkumu do praxe - Inovační biomedicínské centrum ÚEM (IBC)

jekt s Frauenhofer-Institute pro buněčnou terapii a imunologii v Lipsku. Smyslem obou projektů je navázat na současný světový trend rozvoje biotechnologií, zpřístupnit lékařům a pacientům v ČR moderní metody léčby využívající buněčnou terapii, tkáňové inženýrství, výsledky výzkumu v oblasti biomateriálů, nanotechnologií atp. Ústav chce přispět k podpoře vznikajících spin-off firem a hledá spolupráci s investory. Návazností svých jednotlivých Měřící aparatura pro sledování memčinností tak bude IBC tvořit bránových vlastností nervových buněk. malý vědecko-technologický park s možností dalšího rozšíření. V nové polyfunkční budově IBC ÚEM budou umístěna oddělení: Středisko pro podporu konkurenceschopnosti v biomedicínských technologiích. Činnost vzdělávací, poradenská, patentová ochrana, vyhledávání investičních partnerů.

Středisko aplikovaného výzkumu biomedicínských technologií. Laboratoře pro aplikovaný vývoj v oboru regenerativní medicíny, buněčné terapie, farmakologie a příprava klinických studií.

Podnikatelský inkubátor pro začínající spin-off firmy, které budou mít k dispozici veškeré poradenství, výrobní a čisté prostory se statutem GMP. Firmy budou mít možnost rozvinout produkty aplikovaného výzkumu.

Závěrem Logo Inovačního biomedicínského centra (IBC) ÚEM AV ČR. Prozatímním úspěchem ÚEM je získání finančních prostředků z Evropského fondu pro regionální rozvoj, Ministerstva pro místní rozvoj ČR a Magistrátu hl. m. Prahy pro řešení projektu IBC v oblasti regenerativní medicíny. ÚEM je jediným ústavem AV ČR, jehož výzkum je cíleně zaměřen do klinické medicíny s cílem vyvinout léčebné postupy a techniky aplikovatelné v klinické praxi. Na pracovišti ÚEM jsou řešeny tyto projekty aplikovaného výzkumu:

Náhrady kloubních chrupavek pomocí transplantace pomnožených autologních buněk chrupavky v biomateriálu na bázi biogenních makromolekul.

Využití mezenchymálních kmenových buněk pro urychlení hojení ran a jejich využití při léčbě míšního poranění a degenerativních onemocněních CNS.

Imunofarmaka s jedinečnou schopností stimulovat produkci interferonu a zvýšit tak obranyschopnost organismu proti virovým a nádorovým onemocněním.

Optimalizace vlastností biomateriálů na bázi polymerních makroporézních hydrogelů a netkaných nanovlákenných textilií pro použití v medicíně.

Vývoj diagnostických látek, na bázi nanočástic oxidu železa, určené ke značení a sledování buněk in vivo pomocí magnetické rezonance.

Ve spolupráci se připravuje využití kmenových buněk pro léčbu defektů rohovky, diabetu, jaterního selhání a léčbu ischemické choroby srdeční.

Věda byla vždy velkým a krásným dobrodružstvím, tvrdou prací a uměním experimentovat, prací zahrnující všestrannou kreativitu se snahou o to aby naše poznání překročilo české hranice, uměním sdělit své výsledky nejen kolegům v odborných přednáškách, studentům a veřejnosti, ale aktivně se podílet i na jejich aplikaci v lékařské praxi. Neustálý tok nových myšlenek, nápadů, pochyb a kritického hodnocení výsledků, je každodenní realitou vědeckého pracovníka. V lékařském výzkumu celou situaci dokresluje naše touha zmenšit utrpení nemocných, zlepšit jejich kvalitu života, i nutnost vyrovnat se s etickými otázkami, které náš výzkum provázejí.

www.iem.cas.cz [email protected]

Převádění dosažených výsledků do klinické praxe čekají vždy rozsáhlé zkoušky, ty vyžadují náročné technologické vybavení a musejí být prováděny v GLP a GMP podmínkách a v tzv. „čistých prostorech“. ÚEM vypracoval nejen projekt výstavby a provozu střediska aplikovaného výzkumu IBC ÚEM, ale zakládá i společný projekt pro strategický a aplikovaný prowww.sciam.cz


53

mikrobiologicky ustav

12/4/07

1:48 PM

Stránka 54

BIOMEDICÍNA

Mikrobiologický ústav AV ČR, v.v.i. mikroorganizmů a biotransformace přírodních látek. Součástí sektoru je biotechnologická hala, jejíž vybavení umožňuje ověřování a optimalizaci fermentačních technologií a přípravy biologicky aktivních látek ve větším měřítku. Za zmínku stojí rovněž Laboratoř charakterizace molekulární struktury, vybavená špičkovými hmotovými spektrometry a Středisko sekvenování DNA. Sektor buněčné a molekulární mikrobiologie se orientuje na výzkum molekulární biologie a genetiky prokaryotických a eukaryotických mikroorganizmů. Studium regulace Mikrobiologický ústav Akademie věd (MBÚ) vznikl 1. ledna 1962 a postupně se stal jednou z hlavních vědeckých institucí v České republice, která se komplexně zabývá základním výzkumem v oboru mikrobiologie. Hlavní výzkumné oblasti jsou biochemie, fyziologie, molekulární genetika bakterií, kvasinek a vláknitých hub, mikroskopických řas a témata imunologická. V rámci těchto oblastí jsou podrobně studovány otázky produkce biologicky aktivních látek, enzymů, regulační mechanizmy v řízení diferenciace růstu mikroorganizmů, mechanizmy podílející se na přenosu a modifikaci DNA, degradační aktivity mikroorganizmů, fotosyntetický systém, vývojové aspekty imunity, patologie a léčba autoimunitních onemocnění a imunologie onemocnění nádorových.

Výzkum V MBÚ pracuje téměř 450 zaměstnanců, z toho více než polovinu představují vysokoškolsky vzdělaní pracovníci. Základní výzkumné organizační jednotky ústavu jsou laboratoře, které se sdružují ve vědeckých sektorech. Sektor biogeneze a biotechnologie přírodních látek se zabývá především fyziologií a genetikou myceliálních aktinomycet a mikrobiálních eukaryotů. Další projekty sektoru se zaměřují na vznik rezistence

Hmotový spektrometr Bruker APEX FTMS

54


Hemolýza beraních erythrocytů adenylát-cyklázovým toxinem (ACT) bakterie Bordetella pertussis. Obrázek z rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM) ve formě anaglyfu. Při pozorování obrázku červenozelenými brýlemi dojde k vytvoření trojrozměrného vjemu.

genové exprese, buněčné diferenciace, vlivu vnitřních a vnějších podmínek na buněčné funkce, mechanizmů buněčného stárnutí, významu cytoskeletálního aparátu při buněčném dělení a molekulárních aspektů bakteriální patogenicity otevírá cestu k novým průmyslovým a biomedicínským aplikacím. Předmětem výzkumného zájmu Sektoru ekologie je zejména komplexní fyziologická, biochemická a genetická charakterizace enzymových systémů hub schopných biodegradace polutantů jako jsou např. polycyklické aromatické uhlovodíky. Sektor imunologie a gnotobiologie se zabývá studiem vzniku a vývoje imunitní odpovědi, funkční charakterizací složek imunitního systému a regulací imunitní odpovědi. Významné výsledky přináší studium autoimunitních a nádorových onemocnění. Cílená léčiva využívající polymerní nosiče vyvinutá v těsné spolupráci s Ústavem makromolekulární chemie AV ČR, v. v. i. představují jednu z nadějných možností protinádorové terapie. Detašované laboratoře sektoru v Novém Hrádku v Orlických horách nabízejí a využívají pro studium vztahů mikroorganizmu a hosČERVENEC–SRPEN 2007

mikrobiologicky ustav

12/4/07

1:49 PM

Stránka 55

titele unikátní model bezmikrobních zvířat. Sektor autotrofních mikroorganizmů je situován v barokní budově Opatovického mlýna poblíž Třeboně. Výzkumný program tohoto sektoru je zaměřen na studium fotosyntetických mikroorganismů, zelených řas, sinic a fotosyntetických bakterií. Jedna z laboratoří se zabývá také studiem technologií řasové produkce, jejich optimalizací a zpracováním produktů jakož i různými způsoby využití řasové hmoty.

Spolupráce s vysokými školami MBÚ se významně podílí na uskutečňování doktorských a magisterských studijních programů. Vědečtí pracovníci ústavu školí přibližně 120 doktorandů a 60 diplomantů v osmi akreditovaných studijních programech, přednášejí na vysokých školách a pořádají kurzy pro studenty. Ve spolupráci s fakultami Univerzity Karlovy v Praze a Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích bylo zřízeno osm společných výzkumných a pedagogických pracovišť. Další formou spolupráce s vysokými školami jsou společné projekty, zejména v rámci programů MŠMT.

Spolupráce s průmyslem V loňském roce Mikrobiologický ústav evidoval celkem 17 smluv o vědecko-výzkumné spolupráci. Zcela zásadní význam

Odchovna bezmikrobních zvířat

ze zdrojů Evropské unie. O bohatých mezinárodních aktivitách svědčí i skutečnost, že Mikrobiologický ústav je častým organizátorem mezinárodních kongresů, sympózií a konferencí a že pracovníci ústavu jsou zváni do zahraničí k přednáškám.

Bezmikrobní sele v izolátoru

Perspektivy Transformace akademických ústavů na veřejné výzkumné instituce otevírá novou kapitolu v historii Mikrobiologického ústavu. Vedle stále se zlepšujících podmínek pro základní výzkum a možnosti integrace do evropských vědeckých aktivit se otevírá i větší možnost aplikovat a valorizovat výsledky základního výzkumu. Pevně věříme, že tuto příležitost využijeme a že Mikrobiologický ústav zůstane mezi předními biomedicínskými institucemi a získá si své místo i v mezinárodním měřítku. Genetické analyzátory pro sekvenování DNA

má smlouva s farmaceutickou firmou Zentiva, a.s., která valorizuje dlouholeté výsledky výzkumu směrovaných léčiv. Dalším příkladem může být perspektivní spolupráce s indickou farmaceutickou firmou Fermenta Biotech Ltd., kdy byl připraven společný patent zabývající se konstrukcí expresního systému pro novou penicilinacylasu, která je použita pro syntézu β-laktamového antibiotika amoxicilinu. Tato technologie nahrazuje chemickou přípravu a je šetrná vůči životnímu prostředí (tzv. green biotechnology). V rámci společného projektu s firmou Bioveta a.s., Ivanovice na Hané, je vyvíjen nový typ vakcíny proti nejzávažnějšímu onemocnění prasat - aktinobacilové pleuropneumonii založené na bázi Apx toxinů a mající prokazatelně protektivní účinky.

Kontakt: http://www.biomed.cas.cz/mbu/cz/

Zahraniční spolupráce V roce 2006 bylo řešeno celkem 17 grantů a projektů mezinárodní spolupráce - z toho osm projektů bylo financováno www.sciam.cz

Kaskády pro kultivaci mikroskopických řas SCIENTIFIC AMERICAN ČESKÉ VYDÁNÍ

55

biofyzikalni ustav

12/4/07

1:32 PM

Stránka 56

BIOMEDICÍNA

Biofyzikální ústav Akademie věd ČR, v.v.i. Hlavním posláním Biofyzikálního ústavu AV ČR, v.v.i., (BFÚ) je základní výzkum v oblasti biofyziky. Ústav však současně plní i funkce související, jako jsou vědecká výchova, účast na vysokoškolském vzdělávání, rozvíjení mezinárodních spoluprací, popularizace vědy, přenos vědeckých poznatků do praxe a další. Výzkumný záměr pro období 2005–2010 nese název "Biofyzika dynamických struktur a funkcí biologických systémů".

Základní výzkum Krátce po založení BFÚ (v roce 1955) byla na tomto ústavu objevena elektroaktivita DNA, tj. její schopnost přijímat nebo odevzdávat elektrony při interakci s elektrodami. Tento objev byl v průběhu let rozvinut v novou vědní disciplínu. Hlavní směry výzkumu v součastnosti jsou: (1) vztahy mezi primární strukturou DNA a jejími konformačními vlastnostmi, s ohledem na funkci, patologii a evoluci genomů, (2) interakce DNA s proteiny (histony, HMG proteiny, onkoproteiny, transkripčními faktory a proteiny systémů opravujících poškození DNA), (3) interakce DNA s protinádorově účinnými látkami obsahujícími kovy, (4) struktura a interakce DNA a proteinů v roztoku Struktura molekuly RNA vypočtena a na povrchu elektrod v souvislosti s vývojem elektrochemicmetodami molekulární dynamiky kých biosenzorů, (5) architektura buněčného jádra, uspořádání a modifikace chromatinu, struktura a funkce nukleoproteinů a telomerických komplexů, dynamika genomů a genomových teritorií, (6) vztahy mezi genovou expresí, buněčnou diferenciací, onkogenní transformací a ontogenetickým vývojem, (7) vliv endo- a exogenních mediátorů modifikujících proliferaci, diferenciaci a apoptózu v buněčných populacích, (8) počítačové simulace dynamické struktury a interakcí DNA/RNA s proteiny a biologicky aktivními látkami. Výzkum je financován zčásti z výzkumného záměru a zčásti z grantů, jejichž počet činí v tomto roce 93. Pracovníci ústavu vedou 6 Center základního výzkumu a podílejí se na řešení 8 projektů financovaných ze zahraničí; z toho 3 velkých projektů Rámcových programů EU.

Aplikovaný výzkum Aplikace směřují do medicíny, agrobiologie, ekotoxikologie a biotechnologií. Výzkum cílený do praxe zahrnuje studium chování DNA a bílkovin na povrchu elektrod. Elektrochemická aktivita těchto molekul a látek, které s nimi specificky interagují, je využívána při výzkumu a vývoji biosenzorů. V Centru biofyzikální chemie, bioelektrochemie a bioanalý- Buněčné jádro s aktivním (zezy, jehož činnost koordinuje BFÚ, je leně) a neaktivním (červeně) úspěšně prováděn výzkum směřující chromatinem ke zvýšení citlivosti a selektivity těchto senzorů. Během posledních let bylo dosaženo zvýšení citlivosti o 2-3 řády. Dále byly vyvinuty senzory pro detekci bodových mutací a poškození DNA. Velmi blízko k aplikacím má také výzkum protinádorově účinných látek. V BFÚ se stanovují vlastnosti těchto látek s využitím kompletní škály metod a provádí se testování jejich protinádorové účinnosti na tkáňových kulturách. V oblasti buněčné biofyziky je významný vývoj automatizovaných mikrosko-pických metod, který probíhá ve spolupráci s Fakultou informatiky MU. V ústavu funguje již řadu let unikátní systém, který je vhodný pro studium fixovaných i živých buněk. Je třeba zmínit také vývoj biokompatibilních materiálů, který navazuje na výzkum bílkovin adsorbovaných na površích a studium interakce těchto povrchů s biologickými vzorky. Těmito výzkumnými úkoly se zabývá Centrum aplikovaného výzkumu, které je společné s LF MU.

Praktický význam základního výzkumu Celá řada aktivit v oblasti základního výzkumu má potenciálně velký praktický dopad. Např. výzkum v oblasti molekulární epigenetiky směřuje k nalezení optimálních vektorů pro biotechnologie a genovou terapii, bioinformatické studie přispívají k pochopení smyslu oblastí genomu, které nekódují proteiny, výzkum mikrosatelitů má význam pro léčbu některých onemocnění, studium struktury nukleových kyselin (na obrázku vlevo), genomu a buněčného jádra (na obrázku vpravo) umožňuje pochopení mechanismů vzniku závažných onemocnění člověka a pomáhá nalézat nové směry pro hledání vhodných léků, poznatky o deregulaci a modulaci signálních mechanismů se využívají v oblasti prevence/ terapie nádorových onemocnění, v ekotoxikologii apod.

Středoevropský technologický institut Biofyzikální ústav AV ČR, v.v.i. se účastní vypracování dvou velkých projektů pro Operační program VaVpI. Prvním projektem je vybudování Středoevropského technologického institutu (CEITEC) v Brně jakožto moderního centra excelentní vědy. Tohoto projektu se účastní 10 výzkumných organizací Jihomoravského kraje (4 univerzity, 5 ústavů Akademie věd ČR a 1 resortní vzkumný ústav). Součástí CEITECu jsou 4 velká výzkumná centra, jež integrují kapacity v těchto oblastech:

56


Mendelovo výzkumné centrum – moderní biologické obory (molekulární a buněčná biologie, genomika a proteomika, biochemie, biofyzika, bioinformatika).

Centrum pokročilých materiálů a technologií – materiálové vědy (keramické, polymerní, kovové materiály, kompozity, nanoa mikrotechnologie , mikroelektronika).


biofyzikalni ustav

12/4/07

1:32 PM

Stránka 57

Biomedicínské centrum – biomedicínské obory (molekulární onkologie, mikrobiologie, kmenové buňky, zobrazovací technologie, neurovědy).

Cílem CEITECu je dosáhnout v krátké době prvotřídní úrovně výzkumu a zapojit výzkum v regionu do EVP, otevřenosti světu a vytvoření podmínek pro kontinuální tok aplikací v oblasti biotechnologií a pokročilých materiálů.

Centrum pro ochranu zdraví zvířat a lidí – veterinární vědy (zdraví zvířat, šlechtění apod.).

Česká národní synchrotronová laboratoř Cílem projektu, který připravuje AV ČR, je vybudování České národní synchrotronové laboratoře (CNSL) na bázi moderního urychlovače elektronů 3. generace a vytvoření prvotřídních experimentálních zařízení. Hlavní součástí urychlovače bude vakuová trubice s magnety udržujícími elektrony v jejím středu. Elektrony s energií 3 GeV se pohybují po uzavřené křivce a při tomto pohybu produkují světlo. CNSL tedy bude zdrojem světla s velmi unikátními vlastnostmi, tj. s vysokou intenzitou (briliancí), s přesně danou vlnovou délkou (barvou) a s přesným časováním světelných záblesků. Elektronový synchrotron je nejvšestranněji využitelný typ urychlovače, a proto bude CNSL vhodná pro širokou paletu vědních oborů i pro využití v průmyslu (mikroelektronika, nanotechnologie, mikrostrojírenství, zobrazovaSynchrotrony v EU, černý krou- cí techniky v biologii a medižek - 3. generace, žlutě ALBA cíně, spektroskopie, výzkum životního prostředí apod.). v Barceloně a CNSL Unikátní informace na molekulární a atomární úrovni, které mohou synchrotrony poskytnout, budou důležité pro konkurenceschopnost průmyslu v EU v oblastech, jako je návrh nových léčiv, pokročilých materiálů a pokročilé analýzy. Výzkum na synchrotronech je špičkový - jedná se o předvoj v bádání; řada nositelů Nobelovy ceny získala tuto cenu právě za práce na synchrotronech. Vybudování CNSL otevře možnosti

www.sciam.cz

k zavedení některých technik (např. koherentní difrakční mikroskopii), které jsou vyvíjeny zatím pouze v USA. Výstavba a využití CNSL povede k rozvoji hightech průmyslu (např. vakuové, měřící a diagnostické techniky, elektroniky apod.). CNSL významně přispěje k vytvoření zdravých vztahů mezi akademickou sférou a soukromým sektorem, k vytvoření povědomí o významu poznání, k růstu vzdělanosti společnosti a atraktivity ČR. Synchrotrony nemají negativní vliv na životní prostředí, nehrozí jeho kontaminace, a to ani v případě havárie nebo teroristického útoku. CNSL významně přispěje k výzkumu životního prostředí zapojením do nadnárodních projektů (detekce znečištění, studium mechanismů v atmosféře souvisejících s destrukcí ozonové vrstvy a s účinky skleníkových plynů). CNSL bude vybudována podle španělského vzoru (ALBA v Barceloně - obrázek) s využitím veškerých zkušeností a dokumentace. Tím se zkrátí doba od návrhu po realizaci z 20 na 7 let. Plán výstavby CNSL je posunut oproti španělskému projektu o 4 roky. Synchrotrony slouží obvykle pro spádovou oblast do 200–300 km (pohodlný dojezd automobilem). V rámci EU funguje 18 takových zařízení (viz obrázek); ve východní části EU synchrotrony nejsou. Výstavba CNSL bude tedy v souladu s politikou koheze a konvergence, tj. vyrovnáváním rozdílů mezi odlišnými regiony EU. Pro CNSL byl vydělen pozemek a bylo započato měření jeho stability. V současnosti je v EU přibližně 10 tis. uživatelů synchrotronů; potenciálních uživatelů je 100 tis.. V ČR a okolních zemích je přibližně 500 uživatelů, tento počet po dostavbě ještě vzroste. Není tedy pochyb o tom, že český synchrotron bude využit. CNSL přinese České republice výrazný posun k lepšímu v mnoha oborech. Výstavba silně nadstandardního a technicky velmi pokročilého zařízení bude mít pozitivní vliv na VaV instituce, univerzity, stavební firmy, průmysl atd. Ve srovnání s komerčně dostupnými zařízeními, kde je doba využití typicky 6 let, urychlovače se zdokonalují a využívají mnohem déle (30–50 let). CNSL bude významným krokem k pokročilým technologiím a vzdělané společnosti, kterým se ČR otevře cesta ke světové špičce. SCIENTIFIC AMERICAN ČESKÉ VYDÁNÍ

57

ustav organicke chemie

12/4/07

2:06 PM

Stránka 58

BIOMEDICÍNA

Ústav organické chemie a biochemie AV ČR, v.v.i. Ústav organické chemie a biochemie, v.v.i., Akademie věd České republiky, vznikl ještě před založením Československé akademie věd v roce 1950 jako ústřední chemický výzkumný ústav kolem vědecké skupiny vedené prof. Františkem Šormem z Fakulty chemické technologie VŠCHT v Praze. Po založení Československé akademie věd se ústav transformoval v Chemický ústav ČSAV. V roce 1960 se z ústavu vydělilo oddělení chemické technologie a vytvořilo nezávislý ústav. Od tohoto roku byl ústav přejmenován na Ústav organické chemie a biochemie (ÚOCHB). V roce 1977 přešla část pracovišť věnujících se genetice do Ústavu experimentální biologie a genetiky ČSAV a nové seskupení bylo přejmenováno na Ústav molekulární genetiky ČSAV (ÚMG). Větší část tohoto ústavu sídlila v areálu v Dejvicích do konce roku 2006, kdy se přestěhovala do nové budovy ÚMG v Krči. Od roku 2007 je tedy ÚOCHB jediným vlastníkem dejvického areálu. Uvolnění prostor po ÚMG je významné pro budoucí rozvoj ÚOCHB a jeho přestavbu na moderní pracoviště světových parametrů. ÚOCHB dostal do vínku velmi perspektivní zaměření spojující organickou chemii a biochemii (později i molekulární biologii), výtečně promyšlenou strukturu organizace ústavu a na svou dobu excelentní vybavení. Rozsah vědecké činnosti profesora Šorma, jednoho z nejvýznamnějších představitelů poválečné generace českých chemiků, zahrnovala chemickou syntézu, chemii přírodních látek, biochemii a molekulární biologii. Tyto obory, společně se Šormovou předvídavostí, určovaly charakter ústavu: jeho projekty byly vždy kombinací chemických, fyzikálních a biologických disciplín. Od počátku existovala i poloprovozní jednotka, která soužila k přípravě meziproduktů, k izolaci látek z přírodního matriálu a k přípravě látek pro klinické testování. Prof. Šorm se dokázal obklopovat vynikajícími vědeckými odborníky světové úrovně, namátkou jmenujme Z. Arnolda (syntetická organická chemie), K. Bláhu (chemie peptidů), V. Černého (steroidní chemie), J. Farkaše (chemie nukleových kyselin a cukrů), V. Herouta (přírodní látky), K. Jošta (chemie peptidů), B. Kejla (struktura peptidů), M. Romaňuka (hmyzí hormony), J. Rudingera (chemie peptidů) J. Sichra (organická chemie), J. Smrta (syntéza oligonukleotidů), J. Škodu (antimetabolity) či M. Zaorala (chemie peptidů).

Po léta zachovávaná struktura ústavu, tak úspěšná v prvních desetiletích, se začala přežívat. Trpěla hlavně nedostatkem významných osobností v dalších generacích v tradičních oblastech studií a vyčerpáváním některých tematik. Proto se ústav rozhodl k zásadní změně ve své struktuře a ve vědeckém zaměření nových vědeckých týmů. Změna byla připravena ve spolupráci s Mezinárodní poradní radou ústavu a načasována na dobu změny právního statutu ústavu, tedy na počátek roku 2007, kdy ústav byl převeden na veřejnou výzkumnou instituci (v.v.i.). Posláním ústavu je svobodné vědecké bádání v oblasti organické chemie a biochemie a molekulárně orientovaných věd na okraji těchto oborů s výrazným aspektem aplikace vědeckého poznání v praxi. Úkolem ústavu je dosáhnout excelence v mezinárodním měřítku a tuto pozici dlouhodobě udržet. Nová organizace ústavu se opírá o vědecké osobnosti, které byly vybrány v mezinárodním konkurzu. Zájem o pozici vedoucího vědeckého týmu na ústavu byl velký. Byly obsazeny dvě pozice čestných profesur (Distinguished Chair), 17 pozic vedoucích seniorských vědeckých týmů a 4 pozice juniorských vědeckých týmů. Zřízení juniorských týmů ústav považuje za velmi významný počin a očekává, že bude následován i v jiných ústavech. Na pozice čestných profesur byli pozvání dva nejpřednější čeští chemici současnosti. Prof. Antonín Holý, chemik světového jména v oblasti syntézy analog složek nukleových kyselin, přední autor patentů, podle kterých se vyrábějí celosvětově nejúspěšnější léčiva proti virům HIV a hepatitidy B, obdržel čestnou profesuru podporovanou finančně firmou Gilead Sciences (Gilead Distinguished Chair in Medicinal Chemistry), která léčiva podle patentů prof. Holého vyrábí. Druhým nositelem čestné profesury je prof. Pavel Hobza, nejcitovanější český chemik současnosti, přední světový odborník na teorii slabých mezimolekulových interakcí. Jeho profesura je finančně podporována ústavem. Vědecký výzkum na ústavu lze rozdělit do šesti základních oblastí: Medicinální chemie (A. Holý, M. Hocek, I. Rosenberg). Zaměření na medicinální chemii přináší dlouhodobě nejvýznamnější výsledky, které svým významem překračují hranice ústavu i Akademie věd. Výzkum se zaměřuje převážně na léčiva proti virovým a rakovinným onemocněním.

Biochemie a molekulární biologie (J. Jiráček, J. Konvalinka, M. Mareš, I. Pichová). Tato oblast se věnuje hlavně studiu struktury a aktivity enzymů (proteáz) a proteinovým složkám virů a jiných patogenů a struktuře a aktivitě peptidů a jejich analog.

Léky z laboratoře prof. Holého vyráběné v současnosti podle ústavních patentů firmou Gilead Sciences. Vistide, Viread, Truvada a Atripla jsou léky určené pacientů s AIDS. Hepsera je lék proti žloutence typu B.

58


Organická syntéza (J. Michl, I. Starý, J. Šrogl, I. Lyapkalo, P. Beier, T. Kraus, F. Teplý). Věnuje se obecným principům přípravy látek, syntéze funkčních molekul s vlastnostmi vhodnými pro přípravu nanomateriálů a materiálů pro molekulární elektroniku a samoskladbu. Chemie přírodních látek (V. Čeřovský, I. Valterová, U. Jahn). Věnuje se studiu rostlinných látek, vyhledává látky užitečné pro ko-


ustav organicke chemie

12/4/07

2:06 PM

Stránka 59

munikaci hmyzu s cílem kontroly hmyzí populace a studuje peptidy z přírodního materiálu s mikrobiální aktivitou. Fyzikální chemie (P. Bouř, D. Schröder). Určuje strukturu a vlastnosti organických a bioorganických látek pomocí fyzikálních metod a hledá vztahy mezi strukturou a fyzikálními vlastnostmi.

Výpočetní chemie (P. Hobza, Z. Havlas, P. Jungwirth, L. Rulíšek). Využívá nástrojů kvantové chemie a molekulové dynamiky pro studia struktury, reaktivity a vlastností organických a bioorganických molekul.

Ústav se vždy snažil předávat své znalosti k dalšímu využití. V tomto ohledu je nejvýznamnější oblastí medicinální chemie. Za dobu své existence se vyrábělo či vyrábí 15 léků podle výsledků ústavu. A další medicinální aplikace na sebe, jak doufáme, nedají dlouho čekat. Ekonomicky i celosvětovým významem jsou nejdůležitější látky z laboratoře prof. Holého. Jeho objev acyklických fosfonátových analogů nukleových kyselin a vědecká spolupráce s prof. Erikem DeClercqem z Lovaňské university v Belgii vedla k patentům na aktivní složku léků proti viru HIV a hepatitidě B. Tyto patenty byly licencovány kalifornské farmaceutické společnosti Gilead Science, která podle nich vyrábí léčiva Viread, Truvada, Atripla a Hespera. Díky těmto léčivům pomáhá práce prof. Holého a jeho týmu zachraňovat životy milionům lidí na celém světě. Ekonomický úspěch těchto licencí je nebývalý, přináší ústavu stovky milionů korun ročně a ve svém důsledku umožnil nejen restrukturalizovat ústav, přilákat přední odborníky na ústav a podpořit jejich týmy výrazně finančně, ale i připravovat a postupně realizovat kompletní rekonstrukci areálu v Dejvicích, z kterého chceme mít pracoviště srovnatelné s předními institucemi světa obdobného charakteru. Náklady na rekonstrukci převyšující miliardu korun budou hrazeny převážně z ekonomických výsledků ústavních výstupů. Kromě těchto aktivit si může ústav dovolit i některé projekty neobvyklé v českých vědeckých ústavech, například zvaní předních světových odborníků, včetně nositelů Nobelových cen, na přednášky a konzultace do Prahy

Prof. Antonín Holý ve své laboratoři.

(vliv na pověst české vědy ve světě je ohromný), zvláštní postoktorální projekt láká mnoho zahraničních návštěvníků, finančně podporujeme i doktorandy vysokých škol, kteří pracují na disertaci na ústavu. V zájmu udržení vysokého standardu ústavu v budoucnosti připravujeme další finanční zajištění ústavu využíváním nástrojů, které umožnil využívat zákon o veřejných výzkumných institucích, např. připravuje vznik spin-off firem či TTO (Technology Transfer Office) pro převod výsledků vědy o praxe. Poslední vývoj patentování na ústavu dovoluje pohlížet na tyto aktivity s výrazným optimismem a doufáme, že čtenář v blízké budoucnosti o dalších úspěších ÚOCHB uslyší, třeba v souvislosti s lékem proti rakovině či v souvislosti s novými materiály pro nanotechnologie. Kontakty: Ústav organické chemie a biochemie AV ČR, v.v.i. Flemingovo nám. 2, 166 10 Praha 6 Tel.: +420 220 183 111 www.uochb.cas.cz

V roce 2006 byla slavnostně podepsána smlouva o založeni a podpore Výzkumného centra UOCHB-Gilead. Na chod Centra daruje Giled ročně přes milion dolarů. Smlouva byla podepsána viceprezidentem firmy Gilead Johnem F. Milligenem a ředitelem ústavu Zdeňkem Havlasem za účasti představitelů AVČR v čele s předsedou Václavem Pačesem, dalších představitelů firmy Gilead, vedoucích laboratoří Centra firmy Gilead a firmy Medicom, která distribuuje léky v ČR. www.sciam.cz


59

jaderna fyzika

12/4/07

1:56 PM

Stránka 60

BIOMEDICÍNA

Příspěvek Ústavu jaderné fyziky AV ČR, v.v.i., k výzkumu a vývoji nových léčiv Ústav jaderné fyziky AV ČR, v. v. i., (dále jen ÚJF) hraje přirozenou roli centrální domácí instituce v oblasti jaderné fyziky, hlavním posláním ústavu je základní výzkum v jaderné fyzice a aplikace jaderných metod v různých oborech. Organizačně je ústav členěn na 7 výzkumných oddělení: teoretické fyziky, jaderné spektroskopie, jaderných reakcí, neutronové fyziky, urychlovačů, dozimetrie záření a radiofarmak. Zásadní experimenty v jaderné fyzice probíhají dnes převážně na velkých zařízeních v rámci mezinárodní spolupráce. Skupiny z ÚJF jsou zapojeny do významných mezinárodních projektů studujících jadernou hmotu v extrémních podmínkách, exotická nestabilní jádra nebo hmotnost neutrina v laboratořích jako je CERN, BNL Brookhaven, GSI Darmstadt nebo FZ Karlsruhe. Současně mají i nadále svoji nezastupitelnou roli aktivity na menších zařízeních a to jak v oblasti základního výzkumu, tak především v interdisciplinárních a aplikovaných oborech. V tomto ohledu jsou základními experimentálními zařízeními v ÚJF jednak isochronní cyklotron a elektrostatický tandemový urychlovač, umístěné v samostatných objektech ústavu a dále neutronové difraktometry, instalované na výzkumném reaktoru Ústavu jaderného výzkumu Řež a. s. Tato zařízení umožňují výzkum na mezinárodní úrovni a jsou často vyhledávána i zahraničními skupinami. Studují se zde problémy jaderné astrofyziky, data pro perspektivní energetické systémy, provádí se materiálový výzkum a aplikují se jaderné analytické techniky. Neobyčejné významnou interdisciplinární a aplikační oblastí pro jadernou fyziku je medicína. Zavedení jaderných metod a technik zde přineslo převratný a dnes nezastupitelný vklad jak do diagnostických, tak do terapeutických procesů. V ÚJF je tato oblast předmětem aktivit oddělení radiofarmak (ORF), jehož úkolem je výzkum a vývoj radiofarmak využívající především isochronní cyklotron U-120M. Za poslední desetiletí byly vybudovány radiochemické laboratoře vybavené polohorkými komorami, radioanalytickými přístroji a ostatními zařízeními potřebnými pro provádění výzkumu a vývoje nových léčiv i dalších radioaktivních látek/zářičů, určených pro medicínské účely. Současně v rámci jiné činnosti ústavu probíhá výroba několika radiofarmak, která vyhovuje požadavkům Správné výrobní praxe. Některé nejzajímavější aktivity pracovníků ORF jsou ilustrovány níže.

Radiofarmaka PET Izotop 18F je považován za nejvhodnější pro diagnostická vyšetření a zobrazovací studie metodami positronové emisní tomografie (PET). Jeho, ve srovnání s jinými positronovými zářiči, přiměřeně dlouhý poločas rozpadu 109 minut umožňuje získávat značené sloučeniny s vysokým výtěžkem a umožňuje dopravu léčiva z místa produkce i do poměrně vzdálených medicínských pracovišť. Diagnostické metody PET jsou využívány především pro zobrazování novotvarů a jejich výho-

60


dou je možnost odhalit i pomalý růst metastáz rakovinných nádorů. Nejčastěji používaným PET přípravkem, produkovaným i v ORF, je fluorovaná deoxyglukóza (FDG). V poslední době je náš výzkum a vývoj zaměřen na zobrazování růstu nádorové tkáně vyplývajícího ze změn buněčného metabolizmu, a to např. syntézy proteinů, transportu aminokyselin, syntézy nukleových kyselin a nukleotidů. Buněčný metabolizmus je možné sledovat např. pomocí značených účinných látek jako je 3`-[ 18 F] fluoro-3`-deoxythymidinu (FLT) a O-(2- [ 18F]fluoroethyl)-L-tyrosinu (FET). Každá z těchto sloučenin je vhodná pro vyšetřování novotvarů v různých orgánech (viz příklad na obr. 1). V počátcích jsou naše pokusy výzkumu radiofarmak značených dlouho žijícími positronovými zářiči jako je např. 86 Y (T1/2 = 14.7 h) a 124 I (T1/2 = 4.18 d).

Obr. 1: Pacient 7 let po léčbě oligoastrocytomu mozku grade III s podezřením na recidivu onemocnění dle MRI. Na vzájemně registrovaných příčných řezech mozkem je při 18F-FDG vyšetření (vlevo) patrný pooperační defekt s lemem jen minimálně zvýšené konzumpce glukózy - tedy ne zcela specifický nález. Při 18F-FLT vyšetření (vpravo) je patrné objemné ložisko vysoké akumulace radiofarmaka odpovídající recidivě nádoru, což bylo následně histologicky potvrzeno při operaci. Uprostřed je fúze obou PET vyšetření. Přínos 18F-FLT vyšetření je v tomto případě nesporný.

Terapeutické zářiče Jde o rychle se rozvíjející oblast jaderné medicíny. Příkladem jsou terapeutická farmaka, která mají mírnit bolest pacientů při metastázách nádorů do kostí a tak zlepšovat kvalitu jejich života. Z našich posledních výsledků je možno uvést přípravky pro neinvasivní léčení kloubů, t.zv. radiační synovektomií. Ty jsou založeny na přípravě 166Ho-poly(L-kyselina mléčná), mikrosfér (PLA-MS), 166Ho-makroagregátů (MA) a 177Lu-DTPA a 177Lu -DOTA chelátů pro léčbu nádorových onemocnění.

Značené monoklonální protilátky V naší laboratoři byla provedena část rozsáhlejší studie neurodegenerativních onemocnění mozku a periferních nervů , používající radioaktivně značenou monoklonální protilátku TU20 a její scFv fragment. Tyto uměle připravené imunoreaktivní sloučeniny jsou selektivně cíleny proti produktu neuronální degradace, jímž je neurotubulin - protein, který ve ČERVENEC–SRPEN 2007

jaderna fyzika

12/4/07

1:56 PM

Stránka 61

Obr. 2: Autoradiografie koronárního řezu cerebella postižené myši kmene weaver. Hromadění v oblasti jader motorických nervů.

Obr.3: Imunohistografie detailu Purkyňových buněk pomocí jodované protilátky TU-20. Průkaz zachované selektivity protilátky.

své nativní biologické vazbě tvoří součást cytoskeletu nervových buněk. Výzkum probíhal v rámci myšího modelu a byl zahájen vývojem a ověřením metod radioaktivního značení obou verzí biopolymerů izotopy jodu. Práce pokračovala ověřením vlastností takto modifikovaných substrátů imunohistochemickými a autoradiografickými metodami in vitro na mozkových řezech zvířat postižených rozpadem neuronů. Další etapa byla věnována sledování jejich chování in vivo pomocí preparativních studií biodistribuce v živém organizmu a poté studiem možností scintigrafického zobrazení. Jako radioaktivní indikátory byly použity radioizotopy jodu 125I pro experimenty in vitro a 123I pro studie in vivo. Výzkum in vivo probíhal s použitím zdravých laboratorních myší i myší geneticky modifikovaných (např. vrozené onemocnění typu ALS - amyotropní laterální sklerosa). Podařilo se prokázat hromadění radioaktivně označených účinných látek v oblastech zájmu.

jména nádorových onemocnění. Vhodné typy polymerů byly navrženy a připraveny v těsné spolupráci s Ústavem makromolekulární chemie AV ČR, v.v.i. Polymery obsahující hydroxybisfosfonátovou skupinu se selektivně vážou do narušené kostní tkáně. Pro terapeutické a diagnostické účely jsme takto cílené polymery připravili značené vhodnými izotopy, popřípadě nesoucí účinné chemoterapeutikum Doxorubicin. Dále byly připraveny termoresponzivní polymery nesoucí 131I, určené pro lokální terapii, které v místě injekčního podání setrvávají po dobu několika týdnů. Proběhly již studie biodistribuce s velmi nadějnými výsledky a byly proto zahájeny práce na dalších variantách termoresponzivních polymerů nesoucích chemoterapeutika.

Polymerní nosiče radionuklidů Biokompatibilní polymery jsou perspektivní nosiče radionuklidů pro injekční aplikaci v rámci terapie a diagnostiky, ze-

Kontakt: Ústav jaderné fyziky AV ČR, v. v. i. Husinec-Řež čp. 130 250 68 Řež www.ujf.cas.cz

Obr. 4: Scintigrafické zobrazení časového průběhu distribuce radioaktivně označeného imunoreaktivního fragmentu (123I scFv TU-20) v organizmu myši kmene B6. www.sciam.cz


61

Úloha neutronů v základním a aplikovaném výzkumu pro průmysl, zdravotnictví a další obory Bez neutronů produkovaných ve výzkumných reaktorech si neumíme představit výzkum v žádné oblasti a pouze málo průmyslových odvětví nevyužívá služeb neutronů. Neutrony jsou elektricky neutrální, takže snadno pronikají hmotou a mohou tedy testovat materiál nedestruktivně s dostatečnou citlivostí v rozmezí 10-15–10-5 m (v rozsahu 10-ti řádů!). Jejich citlivost na lehká jádra je předurčuje jako ideální prostředek ke zkoumání biologických materiálů. Bez testování materiálů a komponent ve výzkumných reaktorech nelze provozovat jaderné elektrárny, ani vyvíjet nové elektrárny IV. generace, a technologie založené na jaderné fúzi.

50 let provozu výzkumného reaktoru LVR-15, 50 let služeb zákazníkům Ve světě je v provozu v různých zemích 245 výzkumných reaktorů, jejichž hlavním účelem je poskytovat zdroj neutronů pro výzkum a další praktická využití v mnoha oborech. Jejich výstupy - neutronové svazky - mohou mít různé parametry v závislosti na jejich konstrukci uzpůsobené účelu využití. Jsou výrazně menší než energetické reaktory, jejichž hlavním cílem je výroba elektřiny a tepla. Výkon výzkumných reaktorů se pohybuje v MWt nebo kWt tepelného výkonu, maximálně do 100 MWt, v porovnání s energetickými reaktory o výkonu 3000 MWt (tedy 1000 MWe). Ve skutečnosti celkový výkon všech ve světě provozovaných výzkumných reaktorů je něco málo přes 3000 MWt. Výzkumné reaktory jsou zpravidla jednodušší než energetické reaktory a jsou provozovány při nižších parametrech. Na druhé straně palivo potřebují s výrazně větším obohacením U-235 (obvykle do 20 %, v řadě případů však až do 93 %). Mají též větší výkonovou hustotu v aktivní zóně. Výzkumné reaktory se též významně liší svou konstrukcí (bazénové, tankové) a způsobem provozování s konstantním a pulsním provozem. Obdobně široké je též využití reaktorů. Veřejnost si neuvědomuje jak významně výsledky výzkumu s použitím neutronů ovlivňují náš každodenní život. Výzkum s využitím neutronů započal jejich objevením J. Chadwickem v roce 1932 a na intenzitě získal v 50-tých letech. Neutronové svazky jsou jedinečným prostředkem ke studiu struktury a dynamiky materiálů na atomární úrovni. Neutronový rozptyl (scattering) je využíván ke zkoumání vzorků v různých podmínkách, jako je vysoký tlak, ve vakuu, za vysokých teplot, při nízkých teplotách v magnetickém poli, v podstatě v podmínkách reálného světa. Neutrony pomáhají vylepšování konstrukcí nových komponent pro auta a letadla, v oboru informačních technologií pomáhají vývoji nových materiálů pro magnetická zařízení, napomáhají vylepšování umělých hmot a detergentů. S využitím neutronové aktivační analýzy je možno měřit stopová množství prvků nedestruktivním testováním. Izotopy ve vzorku jsou aktivovány ozářením neutrony v reaktoru. Detekováno je pak charakteristické záření jednotlivých prvků. Využití neutronové aktivační analýzy je obrovské. Jedná se o velmi citlivou nedestruktivní metodu, která s vysokou přesností zaznamená výskyt nejen prvků, ale i jejich izotopů. Jedním z hlavních účelů využití výzkumných reaktorů je výroba izotopů, které jsou aplikovány ve zdravotnictví k diagnostice a léčbě rakoviny. Aktivace prvků neutrony je též využívána k výrobě radioizotopů široce využívaných v průmyslu. Například k produkci Co-60 a Ir-192 pro výrobu uzavřených zářičů, bez nichž si již neumíme představit diagnostiku v průmyslu, testování spojů, svarů, materiálů a komponent. Výzkumné reaktory jsou využívány i v průmyslových procesech. Do-

62


pování pomocí transmutací prvků neutrony můžeme plánovitě zvýšit elektrickou vodivost krystalů pro použití v elektronice. Obdobně například účelově měníme zabarvení polodrahokamů pro využití v bižutérii nebo šperkařství. Ve výzkumných reaktorech je materiál vystaven intenzivnímu ozařování neutrony pro sledování jeho změn. Například některé oceli křehnou v neutronovém poli jaderných a fúzních reaktorů a je třeba vyvinout materiály dostatečné odolné. Některé jiné mohou ozářením příměsí vyvolat vznik nebezpečných zářičů s dlouhým poločasem rozpadu.

Výzkumný reaktor LVR-15 v ÚJV Řež a.s. ČERVENEC–SRPEN 2007

Důležitá data historie reaktoru Zahájení výstavby VVR-S Dosažení kritičnosti Zahájení provozu 2 MW, palivo EK-10 První rekonstrukce 4 MW, palivo EK-10 Druhá rekonstrukce, LVR-15, palivo IRT-2M, 80 % Zvýšení výkonu z 8 MW na 10 MW Změna provozu z cyklu 5 dní na 21 dní Postupné vybavení reaktoru smyčkami RVS-3, RVS-4, BWR-1, BWR-2, Zinc loop Postupný přechod na palivo IRT-2M, 36 % Zapojení do EU programu fúzní reaktory Povolení trvalého provozu do roku 2014

červen 1955 25. 9.1957 25. 9. 1957 1964 1989 1994 1994 1994–2000 1995–1998 2002 2003

Výzkumná činnost na reaktoru VVR-S (LVR-15) - reference

Pohled do aktivní zóny reaktoru LVR-15 K pochopení proč neutrony zajímají lékaře, biology, geology, fyziky a chemiky ve výzkumu a vývoji a v mnoha průmyslových aplikacích je třeba znát specifiku jejich podstaty a jejich interakce s hmotou: Jsou elektricky neutrální a tedy snadno pronikají hmotou a mohou testovat materiál nedestruktivně. Mají magnetický moment v důsledku jejich spinu a tak mohou být jejich pomocí zkoumány magnetické struktury. Spin napomáhá přesnějšímu měření fyzikálních vlastností materiálů. Zkoumána může být dynamika molekul a mřížek, jelikož energie neutronů je blízká excitačním energiím částic v pevných látkách. Využitelnost výzkumného reaktoru je dána především výkonem, který určuje množství použitelných neutronů pro výzkum, dalšími parametry jsou velikost neutronových toků, dostupná energetická spektra neutronů a dostupné ozařovací vybavení, které svoji hodnotou často převyšuje i cenu reaktoru. Prvním výzkumným reaktorem ve světě byl Chicago Pile 1, uvedený do provozu v USA 2. 12. 1942. Následovala výstavba celé řady reaktorů zejména s cílem vyvinout atomové zbraně. V roce 1956 byly výzkumné reaktory pouze v 8 zemích (USA, Kanada, Rusko, Velká Británie, Francie, Švédsko, Belgie a Indie). V roce 1957 se k nim připojilo i tehdejší Československo uvedením do provozu reaktoru VVR-S, dnes po několika rekonstrukcích nazývaného LVR-15.

Materiálový ozařovací program na reaktoru VVR-S k výzkumu těžkovodního plynem chlazeného reaktoru - GCHWR Materiálový výzkum a výzkum vodních režimů reaktorů VVER s využitím reaktorové vodní smyčky RVS-3 Výzkum vlastností tlakové nádoby reaktorů VVER vyráběné ve ŠKODA Plzeň (atestační program) Výzkum materiálů reaktorů BWR s využitím smyček BWR-1, BWR-2, export ozařovacích služeb do Japonska, Francie, Velké Britanie, Německa, Ruska Výzkum, aplikace neutronové záchytové terapie k léčbě pacientů, získání licence Výzkum a vývoj fúzního reaktoru v rámci EFDA Základní a aplikovaný výzkum na horizontálních kanálech v oblasti difrakce, interferometrie, polarizace, spektrometrie a aktivační analýzy realizovaný především pracovníky ÚJF AV ČR a FJFI

1965–1975 1975–1985 1978–1983

1993–1995 2000 2001–dosud

1960–dosud

Výzkumné reaktory ve světě Počet reaktorů

Počet zemí

Z toho ČR

V provozu

245

55

3

Odstavené

241

35

0

Vyřazené

170

23

2

Plánované, ve výstavbě Celkem

15

13

0

671

70

5

Výstavba reaktoru VVR-S započala v roce 1955, reaktor s technologií byl dokončen v krátkém čase, k první řetězové reakci v Československu došlo dne 25. 9. 1957. Byl tak vytvořen základní zdroj neutronů pro potřeby výzkumu a ověřování nových jaderných technologií. Reaktor VVR-S se stal a jako LVR-15 dodnes je základním prostředkem pro využívání těchto technologií v ČR. V ČR jsou v provozu ještě další dva výzkumné reaktory LR-0 a VR-1, svým výkonem a parametry jsou jen doplňkem k reaktoru LVR-15.

www.sciam.cz

Smyčka pro testování materiálů provozovaných jaderných elektráren SCIENTIFIC AMERICAN ČESKÉ VYDÁNÍ

63

trické energie. Systémy zkoumání pokrytí vnitřních povrchů stěn a vnitřních vestaveb pokusného fúzního reaktoru musí vést k získání dostatečných záruk spolehlivého provozu těchto komponent z navržených materiálů po dobu zkoušek ITER a posléze DEMO a to za extrémních fyzikálních parametrů - při velmi vysokých a cyklicky měněných teplotách a extrémně nízkých tlacích za vysokých neutronových toků. Byť reaktor LVR-15 nedosahuje svými netronovými toky maximálních hodnot dosahovaných ve fúzním reaktoru, dovybavení reaktoru ozařovacími stendy s chladivem Pb-Li a dalšími zařízeními umožnilo ÚJV Řež a.s. se zapojit do programu výzkumu a vývoje fúzních reaktorů tzv. program EFDA (European Fusion Development Agreement). Reaktor LVR-15 se tak zařadil do skupiny reaktorů EU poskytujících ozařovací služby k výzkumu materiálů pro tento projekt. Hlavním cílem je ověřit materiály a komponenty, které by měly být testovány v reaktoru ITER. V současné době se ÚJV podílí na výzkumu koroze slitiny Eurofer ve vodním prostředí a prostředí olovo-lithium, dále studiu navodíkování materiálů, ozařování slitiny Eurofer a na teplotním cyklování materiálů první stěny reaktoru ITER na bázi Be pokrytí destiček.

Smyčka pro testování materiálů nově vyvíjené IV. generace jaderných elektráren

Několik příkladů využití reaktoru LVR-15 Výzkumný reaktor LVR-15 slouží základnímu i aplikovanému výzkumu pro energetiku, průmysl, zdravotnictví i kulturu. S postupem doby byl rekonstruován a dovybaven, aby mohl sloužit aktuálním požadavkům rozvoje vědy a techniky. Po celou dobu je provozován zcela bezpečně a spolehlivě.

Materiálový výzkum pro provozované jaderné elektrárny Reaktor LVR-15 je plně vybaven pro testování materiálů a zařízení pro provozované jaderné elektrárny, tedy v typických neutronových tocích a teplotách chladící vody nebo parovodní směsi s teplotami do 350 °C a příslušnými vodními režimy, má k dispozici celkem pět smyček a tři druhy ozařovacích sond včetně odpovídající infrastruktury jako jsou chemické laboratoře, horké komory apod. K dalšímu vybavení této základny patří specializované ozařovací kanály vybavené požadovanou instrumentací. Ve vodních smyčkách je prováděn výzkum současného působení záření, chemického režimu a vysokého tlaku a teploty na korozi konstrukčních materiálů a povlakových materiálů paliva jaderných elektráren. Ve vodních smyčkách RVS-3 a RVS-4 je sledováno korozní chování trubek parogenerátorů a zirkonového pokrytí palivových článků, ve smyčce BWR-2 je prováděn výzkum koroze pod napětím vzorků z nádob jaderných elektráren. V ozařovacích sondách různých typů, např. Chouca, plochých sondách, jsou ozařovány vzorky ocelí v inertní atmosféře při teplotách 230 –350 °C. Díky výsledkům dlouhodobého výzkumu materiálů a rozšíření ozařovacích možností ve smyčkách a sondách je dnes reaktor LVR15 standardně řazen do skupiny velkých ozařovacích reaktorů MTR v Evropě jako jsou reaktory OSIRIS (Cadarache,Francie), BR-2 (Mol, Belgie),HFR (Holandsko, Petten) a HBWR (Norsko, Halden). Reaktor nabízí testování materiálů pro jadernou energetiku obecně, ale může nabídnout i služby jiným průmyslovým oborům.

Testování materiálů pro nově vyvíjené reaktory čtvrté generace - GIV Vývoj pokročilých materiálů a jejich kvalifikace je zásadním požadavkem pro všechna v současnosti uvažovaná řešení reaktorů IV. Generace (GIV). Vnitřní reaktorové materiály jsou extrémně namáhány vysokými teplotami a působí v prostředí vysokých neutronových toků. Rovněž tepelný výměník oddělující primární a sekundární okruh, ať je pro výrobu páry užito libovolné teplonosné medium, je extrémně zatěžován. Přitom požadavek dlouhé životnosti 40–60 let, pokud možno bez výměny zařízení, vyžaduje užití materiálů dlouhodobé stability. Pro vysokoteplotní reaktory IV. Generace je výstup horkého plynu 1000 °C, což vyžaduje materiály schopné přežít 1200 °C při eventuální nehodě. Jako kandidátní materiály se v současnosti jeví superslitiny, Inconelové slitiny a keramické a uhlíkové kompozity. Ty budou zkoumány pro teploty překračující až 1400 °C. Výzkum materiálů pro GIV je velmi náročným oborem ze všech hledisek a vyžaduje v každém případě širokou mezinárodní spolupráci. Již v roce 2003 byly zahájeny kontakty k účasti na programu GIV vývoj a výzkum reaktorů nové generace. Pracoviště reaktoru LVR-15 využívá zkušeností s výzkumem reaktorů BWR a PWR pro zapojení do uve-

ITER - Testování materiálů pro výzkum jaderné fúze Výzkum a vývoj konstrukčních materiálů fúzních reaktorů má jako hlavní zadání umožnění snadno provozovatelné, ekonomické a ekologicky únosné fúze jader lehkých prvků deuteria a tricia pro výrobu elek-

64


Uspořádání velkých experimentálních zařízení využívající neutronové difraktometrie ke studiu pevných látek ČERVENEC–SRPEN 2007

(NAA) má široké využití ve všech možných oblastech, jak bylo zmíněno výše. Příkladem bylo její využití při stanovení původu kameniva užitého pro stavbu kambodžských chrámů z 9.–13. století (Angkor Vat). Určení původu kamene slouží jako standard pro nový materiál používaný k autentickým náhradám při opravách.

Využití LVR-15 pro zdravotnictví - Výroba radioizotopů a neutronová záchytová terapie

Odběr vzorků pro aktivační analýzu v chrámu Ta Phrom v Kamodži deného programu v oblasti reaktorů s vodou nadkritických parametrů (SCWR) a reaktorů vysokoteplotních (VHTR). Základním předpokladem pro zapojení reaktoru LVR-15 do tohoto programu je rozšíření ozařovacích zařízení na chladiva (He, nakritické parametry vody, Na, PbBi a tekuté soli) a teploty (650–1200 °C), navrhované pro 6 základních typů IV. generace jaderných elektráren, vyvíjených v celosvětové spolupráci.

Základní a interdisciplinární výzkum ve svazcích neutronů u horizontálních kanálů reaktoru Pro zajištění optimálního využití výzkumného reaktoru LVR - 15 byla postupně navržena soustava zkušebních a obslužných zařízení, umožňujících nabízet a dodávat široké spektrum služeb pro vědecká a výzkumná pracoviště i pro výrobu a průmysl, využívající neutronů k zobrazování materiálů. V současnosti jsou k dispozici následující prostředky. LVR - 15 má šest horizontálních kanálů a tepelnou kolonu upravenou pro záchytovou terapii. V současné době je na nich instalováno rozsáhlé experimentální zařízení: Dvouosý difraktometr KSN-2 využívaný pro strukturní a texturní výzkum polykrystalických materiálů Šestimetrový zrcadlový neutronovod poskytující svazek tepelných neutronů s tokem 107 n cm-2 s-1, spektrometr pro koincidenční měření γ γ přechodů sestávající ze dvou germaniových detektorů. Další aparaturou je vakuová komora průměru 500 mm se spektrometrem nabitých částic pro studium (n, γ) a (n, p) reakcí. Třetí aparaturou je zařízení pro promptní měření stopových prvků, jmenovitě boru, v biologických vzorcích pro potřeby neutronové záchytové terapie. Dvouosý difraktometr SPN-100 pro studium struktur amorfních látek pro experimenty neutronové topografie, dynamické difrakce na dokonalých monokrystalech a měření zbytkových napětí v polykrystalických materiálech. Práškový difraktometr pro studium struktur amorfních slitin a struktur technologicky zajímavých materiálů. Víceúčelový difraktometr vysokého rozlišení pro studium neutronooptických jevů, testování kvality monokrystalů, texturní měření a radiografie s vysokým rozlišením. Dvouosý difraktometr DN-2 se dvěma ohnutými monokrystaly a analyzátorem v kombinaci s polohově citlivým detektorem pro maloúhlový rozptyl neutronů (SANS). Tříosý spektrometr TKSN-400 pro měření zbytkových napětí v polykrystalických materiálech a testování nových neutronooptických metod.

Od svého uvedení do provozu je reaktor LVR-15 užíván též k výrobě izotopů. V oblasti zdravotnictví zejména izotopů využívaných Ústavem k následné výrobě radiofarmak. Příkladem je například výroba 153Sm, sloužícího k výrobě 153Sm-EDTMP využívaného jak v diagnostice, tak terapii pro tišení bolestivosti kostních metastází. V září 2000 bylo zahájeno přímé využití neutronového svazku reaktoru LVR-15 rovněž v oblasti medicíny. Jako třetí v Evropě a páté na světě tak bylo uvedeno do provozu zařízení, které umožňuje provádět klinické testy léčby rakoviny metodou neutronové záchytové terapie. Princip metody NZT je založen na existenci dostatečně intenzivního zdroje termálních neutronů a vhodné borové sloučeniny, která se ukládá selektivně v nádorových buňkách výrazně více než v buňkách zdravých. Exponujeme-li pak tkáň svazkem pomalých (tepelných) neutronů, dojde v buňkách, které obsahují bor, tj. především v buňkách nádorových, k silné reakci na tomto prvku. Produkty vzniklé při této reakci buňku zničí. Dochází k vysoce efektivní a selektivní destrukci buněk, které v době ozáření tepelnými neutrony obsahují izotop 10B. V poslední době jsou v rámci mezinárodní spoluUžití Sm - 153 pro léčebné účely práce připravovány nové aplikační protokoly pro využití metody.

Neutronové legování křemíku Dopování křemíku fosforem který vzniká při ozařování neutrony má dnes již charakter výroby, a je využíváno i na reaktoru LVR-15. Hlavní předností tohoto způsobu legování zhotovených monokrystalů křemíku pro využití v elektrotechnice je vysoká homogenita rozložení příměsi a reprodukovatelnost legování. Ústav s LVR-15 patří mezi standardní dodavatele ozářeného křemíku pro firmu Polovodiče a.s.

Neutronová aktivační analýza Pneumatické zařízení pro krátkodobé a dlouhodobé ozařování ve vertikálních kanálech reaktoru pro neutronovou aktivační analýzu www.sciam.cz

Klinické testy léčby rakoviny pomocí neutronové záchytové terapie SCIENTIFIC AMERICAN ČESKÉ VYDÁNÍ

65

ČVUT FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ

Kladno se stává výzkumným a vzdělávacím centrem lékařské techniky Během života dnešních padesátníků se medicína změnila od základů. Pokud by se lékař z doby našich prarodičů ocitl v dnešní nemocnici, nejspíš by v ní neuměl léčit. Do dříve výhradně empiricky a přírodovědně zaměřeného oboru vstoupila technika a přinesla zcela nové, dříve netušené diagnostické i léčebné metody. Nové vynálezy se velice rychle dostávají do široké praxe. Řadu metod již považujeme za tak samozřejmou, že si ani neuvědomujeme, o jak nové vynálezy se jedná; jmenujme namátkou magnetickou rezonanci, laserové operace, náhrady kyčelních i kolenních kloubů, koronaroangioplastiku, umělé orgány. Tento vývoj si vynutil vznik nového oboru – biomedicínského inženýrství. Ten integruje výsledky ostatních technických oborů – materiálového, elektrotechnického, strojního, fyzikálního, chemického i jaderného inženýrství – a využívá jejich synergetický efekt pro řešení specifických problémů rozvoje lékařských technologií.

Sedmá fakulta ČVUT Na vznik nového oboru zareagovalo České vysoké učení technické v Praze již v roce 1996 založením Centra biomedicínského inženýrství. V roce 2005 vznikla Fakulta biomedicínského inženýrst ví (FBMI) jako sedmá fakulta ČVUT. Je první fakultou ČVUT, která sídlí mimo Prahu; ČVUT využilo nabídku Kladna, aby novou fakultu založilo ve středočeském regionu. Toto rozhodnutí se ukázalo jako velice šťastné. Fakulta je umístěna necelou půlhodinu jízdy od kampusu ČVUT v Praze –

66

Dejvicích a těší se podpoře Středočeského kraje i Statutárního města Kladna. Široce spolupracuje s podniky i dalšími organizacemi v regionu (Linet, Beznoska, Medinet, Střední zdravotnická škola a Vyšší odborná škola zdravotnická Kladno, Oblastní nemocnice Kladno) i v Praze (Pražské centrum virtuální oftalmochirugie 2. lékařské fakulty UK, Erilens, ORP centrum). ČV UT má s fakultou velké plány. V průběhu následujících pěti let by mělo dojít k rozšíření nabídky studijních oborů a k výraznému nárůstu počtu studentů. Současně vzniknou nové výukové i výzkumné laboratoře, a to jak přímo na fakultě, tak v rámci vědecko-technického parku, který chce ČVUT založit právě v Kladně. Fakulta právě projednává možné varianty svého prostorového rozšíření, na němž by se měly podílet i strukturální fondy EU.

Výzkumná činnost Biomedicínské inženýrství je velice široký interdisciplinární obor, kde jednotlivé oblasti spojuje pouze jejich určení pro lékařství. Šíři zájmů vědeckých kolektivů na FBMI ukážeme na několika příkladech aktuálně řešených projektů. Vysokofrekvenční oscilační ventilace je alternativní metodou umělého dýchání, která je mimořádně šetrná k pacientovi. Principem je vytvoření oscilačních kmitů v nízkotlakém dýchacím okruhu s trvalým prouděním, umožňujících aktivní inspirum i exspirum při frekvencích 120 až 1 200 dechových cyklů za minutu. Dechové objemy jsou tu až desetkrát menší než u konvenční umělé plicní ventilace. Doposud je vysokofrekvenční ventilace používána jen jako záchranná metoda, a to zejména z důvodu nemožnosti spontánního dýchání pacientů, které musí být farmakologicky potlačováno. Pracovníci FBMI vyvinuli metodu, která by měla umožnit zařazení vysokofrekvenční oscilační ventilace mezi primární terapeutické metody, snížit počet selhání této metody umělé plicní ventilace, umožnit odvykání od ventilátoru přímo při vysokofrekvenční oscilační ventilaci a v konečném důsledku zkrátit počet dnů, které musí pacient na ventilátoru strávit. Při praktické realizaci této metody spolupracu-

SCIENTIFIC AMERICAN ČESK É V YDÁNÍ

je F BM I s americkou společností SensorMedics, která má zájem uvedený systém vyrábět. Pro přesná měření i působení na živou tkáň na buněčné úrovni již často nestačí běžné přístroje, jako jsou mikroskop či rentgenka, které známe z lékařských pracovišť; pak je možné použít nově vyvíjené zařízení – rentgenový laser. Právě jeho využití při vývoji nových metod v biologii představuje nejnovější obla st v ý zk u mu fa k u lt y. Experimenty jsou prováděny ve spolupráci s dalšími pracovišti, např. na rentgenovém laseru v Hamburku, který je v současné době největší na světě, a na zařízeních v Paříži. Na fakultě vzniká nová špičková laboratoř kapilárního rentgenového laseru, která umožní např. studium buněčných stěn nebo trojrozměrné zobrazování buněk. Jiná výzkumná skupina studuje malé specializované neuronové obvody, například obvod pro prostorové slyšení v mozkovém kmeni savců a člověka nebo obvody pro řízení letu octomilky, Drosophila melanogaster. U člověka se tento projekt zabývá studiem mechanismů, kterými lidský mozek zpracovává informaci o místu, ze kterého přichází zvuk. Je přirozené uvažovat umístění zdroje zvuku ve sférických souřadnicích, které budou udávat vzdálenost zdroje zvuku, elevaci (úhel směru, odkud zvuk přichází s horizontální rovinou) a azimut (úhel svíraný s rovinou symetrie těla). Azimut je určován na základě rozdílů mezi pravým a levým uchem. Ptáci určují azimut pro nízkofrekvenční zvuky pomocí neuronální zpožďovací linky. Jakým algoritmem to dělají savci, není dosud známo. ČERVENEC –SRPEN 20 07

Společné pracoviště 1. LF UK a FBMI Dlouhodobá spolupráce mezi 1. lékařskou fakultou UK a ČVUT v oblasti výzkumu vyústila ve vznik společného pracoviště, které je umístěno v prostorách 1. LF a je vybaveno unikátní technikou, kterou pro účely společné výzkumné práce pořídila a dále rozvíjí FBMI. Z řady výzkumných témat, která se zde řeší, jmenujme výzkum nových typů materiálů pro pokrytí implantátů. Implantáty jsou obvykle vyrobeny z titanu nebo jeho slitin. Takové implantáty mají výborné mechanické vlastnosti, ale nemusí být vždy dobře přijímány lidským organismem. Je proto výhodné pokrýt kovové implantáty tenkou vrstvou materiálu, která zajistí lepší a dlouhodobou funkci implantátu v lidském organismu. Např. je studováno pokrytí zubních implantátů hydroxyapatitem v kombinaci se zirkonem. Implantáty, které jsou ve styku s krví (textilní cévní náhrady, umělé srdeční chlopně, stenty, apod.), je výhodné pokrýt diamantu podobným uhlíkem, který je tromborezistentní. Materiály jsou nanášeny na implantáty pomocí laseru nebo pomocí hybridních technologií kombinujících laserovou depozici a magnetronové naprašování. Výzkumná laserová laboratoř

je vybavena výkonovým excimerovým laserem a řadou interakčních komor. Výzkum je v současnosti zaměřen zejména na možnost zlepšení mechanických a biomedicínských vlastností implantátů vytvořením vhodných nanokrystalických a nanokompozitních biokompatibilních tenkovrstvových struktur a na modifikaci povrchů materiálů pomocí UV laserového záření. Termovize, neboli infračervená kvantitativní termografie, je měřicí metoda pro bezkontaktní zjišťování dynamických teplotních polí na povrchu zkoumané oblasti. V klinických aplikacích je termovizní technika využívána například v plastické chirurgii při kontrole hojení transplantátů, při demarkaci popálenin a omrzlin nebo při diagnostice zánětlivých onemocnění a poruch prokrvení. Kamerou s vyšší citlivostí lze měřením útlumu kožní teploty diagnostikovat také vnitřní zranění nebo zhoubná nádorová onemocnění (např. prsu, štítné žlázy, lymfatického systému, kloubů) nebo monitorovat rozvoj artritidy. Slibné jsou i pokusy zkoumání vlivu hyper a hypo funkce štítné žlázy na prokrvení periferií. Prováděný výzkum by měl sloužit nalezení jednoduchých diagnostických metod pro široké použití.

Výuka studentů V roce 2003 akreditovalo ČVUT bakalářský studijní program Biomedicínská a klinická technika a ihned zahájilo výuku v tomto oboru. První bakaláři měli promoci v říjnu 2006. Mezitím FBMI akreditovala stejnojmenný studijní program pro magisterské i pro doktorské studium. V současné době na fakultě studuje přes 350 studentů a během následujících pěti let vzroste počet studentů až na 1500. Budou otevřeny nové studijní obory, např. Optika a optometrie, Fyzioterapie a Zdravotnický záchranář. Výuka na FBMI má vyváženou technickou, lékařskou i přírodovědnou část. Důraz je kladen na účast studentů na řešení konkrétních projektů. Fakulta má dobré laboratorní zázemí pro výuku i výzkum (viz http://www.fbmi.cvut.cz/laboratore) a buduje další unikátní laboratoře. Na výuce se podílejí i odborníci z ostatních fakult ČVUT, z lékařských fakult Univerzity Karlovy a také další externisté z praxe. Dnes je již samozřejmostí, že studenti mohou

w w w.sciam.cz

strávit část studia na některé ze zahraničních univerzit. Díky své velikosti i umístění mimo Prahu má fakulta téměř rodinný charakter. Studenti se setkávají na řadě neformálních akcí, často i se svými pedagogy. Během prvních dvou let své existence si fakulta získala značnou prestiž doma i v zahraničí. Rychle se rozvíjí a má v tuto chvíli všechny předpoklady pro další růst. Mladý kolektiv fakulty je připraven k jakékoli smysluplné spolupráci a hledá další zájemce, kteří se budou chtít podílet na vědecké, výzkumné i pedagogické práci v tomto bouřlivě se vyvíjejícím technickém oboru a na dalším rozvoji fakulty. Kontakt: www.fbmi.cvut.cz

Obrázek ukazuje tzv. „cone of confusion“, neboli kužel všech směrů zvuku, které jsou vnímány jako jeden směr, pokud je v prostorovém slyšení použita pouze informace o rozdílu fází mezi pravým a levým uchem pro nízkofrekvenční tóny.

SCIENTIFIC AMERICAN ČESKÉ V YDÁNÍ

67

BIOMEDICÍNA FEI COMPANY

Elektronový mikroskop pro výzkum v oblasti strukturální biologie

Jiří Očadlík

Mikroskop jako nástroj Elektronový mikroskop je nepochybně jedním ze symbolů moderní techniky. Pro laika bývá zahalen neproniknutelným tajemnem vědecké laboratoře vyhrazené jen zasvěceným. Naprostá většina lidí asi nikdy neuvidí elektronový mikroskop na vlastní oči. Přesto je to nepostradatelný nástroj při výzkumu a stále častěji se v yužívá i pro kontrolu v ýrobních procesů. Česká republika patří k několika málo světovým velmocím ve vývoji a výrobě elektronových mikroskopů společně s Japonskem, Německem a Nizozemím. Elektronové mik roskopy se v České republice vyrábí již více než 50 let a v současné době s exportem asi 350 kusů bezpečně vedeme světové tabulky v prodeji na obyvatele.

Lidstvo jen pomalu, za přispění velmi vyspělých technologií a vysokých nákladů, proniká do nitra hmoty. Umíme se vypořádávat s řadou nemocí, lékaři dovedou transplantovat celou řadu orgánů. Nicméně stále neznáme řadu podstatných pochodů, kterými se řídí chod buněk. Zkoumání buněk přivádí biology ke zkoumání jednotlivých stavebních kamenů proteinů, ke způsobu obnovování ribosomů a bílkovin. Tyto pochody probíhají na makromolekulární úrovni s potřebou rozlišovací schopnosti na úrovni několika nanometrů a proto je použití elektronového mikroskopu pro zkoumání struktur téměř jedinou možností. Moderní přístroj je vybaven automatizací v daleko větší míře než v minulosti, takže jej dokáže obsluhovat i vědec specialista na předmět výzkumu a nikoliv jen specialista na elektronový mikroskop, jak tomu bývalo v minulosti.

Dnes již moderní přístroje umožňují daleko výkonnější a efektivnější metody než jen rutinní sledování tenkých řezů v ploše. Své neodmyslitelné zastoupení si našla elektronová tomografie. Dalším významným milníkem je používání kryotechniky, která umožňuje pracovat se vzorky nevysušenými, a tedy z hlediska buněčné stavby zachovalými.

Jak elektronový mikroskop vypadá a funguje? Na obrázku je částečný řez moderního transmisního elektronového mikroskopu (TEM). Analogie se světelným mikroskopem se dá velmi dobře použít. Namísto světla se jako zobrazovací médium používá svazek elektronů. Na rozdíl od světla se elektrony nemohou pohybovat volně ve vzduchu. Srážky s plynem by zabránily šíření. Uvnitř prostorů, kde probíhá svazek, je proto udržováno velmi v ysoké vakuum. Popišme si jednotlivé části.

katoda

Katoda kondenzory

objektiv goniometr

vzorek

projektivy

přehledová kamera (není na obrázku)

pozorovací fluorescenční stínítko kamera a obrazový filtr (nejsou na obrázku)

68


V horní části přístroje je umístěna katoda, ze které je vysílán svazek elektronů a následně urychlen až na energii 200keV. Dnešní přístroje TEM používají pro zobrazování různých energií v rozsahu od 40 do 300keV. Čím vyšší je energie elektronů, tím silnějším vzorkem proniknou a dokážou jej zobrazit, na druhou stranu s vyšší energií se zhoršuje úroveň získaného kontrastu především u biologických vzorků. Samotná katoda je vyrobena z monokrystalu exotického materiálu LaB6 (hexaborid lanthanu) vyhřátého na asi 1500°C. Je to materiál, který má vynikající elektronově emisní vlastnosti s ohledem na vlastní odpařování. Samotná katoda potřebuje pro svou stabilní práci velmi vysoké až ultravysoké vakuum s tlakem 10-7 Pa. To je tlak, který odpovídá zředění vzduchu bilionkrát. V takovém nízkém tlaku se již elektron při své dráze od katody ke stínítku prakticky nikdy nesrazí s molekulou plynu.

Kondenzory Vzniklý svazek elektronů se pomocí clon a magnetických čoček nad objektivem ČERVENEC –SRPEN 20 07

(tzv. kondenzorů) vytvaruje to potřebného tvaru a intenzity tak, aby zasáhl jen určené části vzorku. Velkou výhodou čoček elektronového mikroskopu je jejich schopnost plynule měnit svou mohutnost změnou řídícího proudu nebo napětí.

Objektiv a goniometr Bez nadsázky je tato část přístroje jeho srdcem, rozhoduje o většině vlastností a výkonnosti. Vzorek se vkládá do objektivu. Ten má za úkol velmi přesně zaostřit vybranou část a vytvořit tak základ obrazu, který je dále soustavou projektiv ů zvětšován na stínítko v pozorovací komoře nebo na stínítko digitální kamer y. Obraz v elektronovém mikroskopu samozřejmě není tvořen a přenášen světlem (tedy fotony) ale elektrony. Při průchodu vzorkem je elektronový svazek rozptylován více v oblastech s vyšší tloušťkou nebo vyšším atomovým číslem prvků ve vzorku. Proto budou oblasti s větší tloušťkou a nebo obsahem těžších prvků snižovat proud elektronů, které touto oblastí projdou. Po zvětšení a dopadu na fluorescenční stínítko, kameru nebo fotografický film se tyto oblasti budou jevit jako temnější. Vzorky pro sledování v TEM musí být velmi pečlivě připravovány. Jsou to velmi tenké vrstvy s tloušťkou většinou výrazně menší než 1µm. Vzorek bývá nanesen na podpůrnou mřížku. Mřížka se vzorkem je držena na tyči dlouhé asi 10 cm, aby se vešel mezi objektivové pólové nástavce. Stabilita vzorku je naprosto k líčová. Sejmutí jednoho obrázku na kameru nebo fotog ra fick ý fi lm mů ž e tr vat řádově sekundy. Po tuto dobu musí být vzorek na jednom místě, nesmí se pohnout o více, než je rozlišovací schopnost nebo lépe řešeno požadavek na rozlišení. Zbytkový pohyb bývá způsoben teplotní dilatací, nevykompenzovaným pnutím. Vzhledem k vysoké rozlišovací schopnosti je přístroj citlivý na vnější magnetická pole, zvuky a vibrace. Hledáte-li v neznámé budově laboratoř elektronové mikroskopie, nechoďte nahoru do patra nýbrž dolů, do sklepa. Chceme-li zabránit rozmazání snímku, nesmí se vzorek za dobu expozice pohnout o více než asi třetinu požadovaného rozlišení. Pro dobré přístroje je tento pohyb w w w.sciam.cz

(drift) limitován hodnotou 1 nm za minutu. To je ekvivalentní pohybu 60 nm za hodinu. Kdyby touto rychlostí rostl strom, vyrostl by za 100 let jen o 5 cm. Proti tomu je rychlost růstu vlasů s hodnotou asi 15 µm za hodinu jako dopravní proudový letoun vůči chodci. Tyč se vzorkem nesmí změnit svou teplotu o více než 0,001°C za minutu. Tento nechtěný pohyb vzorku je tedy ovlivněn stabilitou teploty objektivu a okolí a také přesností pohybového mechanismu, kter ý umožňuje pohyb vzorku v horizontální rovině a dále rotaci kolem osy. Není divu, že je oblast objektivu účinně odstíněna od vnějších vlivů a zkušený operátor si nechá mikroskop před obzvlášť náročnou prací na mezi jeho rozlišení delší dobu vytemperovat. Pohybový mechanismus má však vzájemně protichůdné požadavky. Potřebuje velmi rychle prohlížet vzorek, který je umístěn na mřížce o průměru asi 3 mm. Na velkých zvětšeních se musí vzorek pohybovat velmi přesně a také stabilně. Vzorek můžeme chtít definovaně posunout o 10nm. Pak musí zůstat „stát“. Pohybový mechanismus se ale nevejde mezi pólové nástavce. To klade na stabilitu pohybu další požadavky, vzorek je umístěn na poměrně dlouhé tyčce. Pro ilustraci. Když píšeme tužkou své jméno, potřebujeme stabilně posunovat konec tužky o 0,1 mm při délce 10cm. Zde posunujeme na stejné vzdálenosti o 10nm, tedy Získání dat

jako bychom se podepisovali tužkou dlouhou jeden kilometr.

Tomografie Elektronov ý mikroskop umožňuje najednou zobrazovat pouze dvojrozměrně. Pro získání představy o třetím rozměru se musí obrazy snímat tak, že se vzorek

Objemová rekonstrukce

Vizualizace a zvýraznění povrchů


69

naklání vůči zkoumajícímu svazku a postupně se získají série obrázků. Moderní počítače jsou schopny analýzou těchto sérií v yt vořit prostorovou rekonstrukci objektu. Celá metoda se nazývá elektronovou tomografií. Běžně se snímá několik desítek obrázků plně automaticky s postupným nakláněním vzorku od -70 do +70° náklonu. Čím vyšší počet snímků s různým náklonem, tím lepší p r o s to r o v é r o z l i š e n í l z e o č e k á v a t . Výsledkem je počítačový obraz – model prostorového rozložení vzorku podobný jako u dnes běžné lékařské počítačové tomografie (CT), nicméně se zde jedná o objekty s rozlišením až jednotek nanometrů.. Tyto metody zobrazení nacházejí uplatnění až v tomto století s rozvojem výpočetního výkonu počítačů a důslednou automatizací celého TEM.

Biologický vzorek Ačkoliv se elektronov ý mikroskop používá již dlouhou dobu pro biologické vzorky, je prostředí uvnitř přístroje pro většinu vzorků naprosto nepřátelské. V okolí vzorku je velmi vysoké vakuum, takže se všechny těkavé látky s úžasnou

70

rychlostí vypařují – především voda, která se nachází prakticky ve všech biologických preparátech. Vystavíme-li nevysušený vzorek vakuu přístroje začne voda okamžitě vařit. To způsobuje destrukci buněčných struktur a jejich následné zborcení. Celkový proud svazku je velmi malý a většinou se pohybuje v řádu nA. Jakmile je však tento proud fokusací soustředěn do malé oblasti vzorku, zažívá tenká folie značné proudové hustoty, které mohou vzorek vznikajícím teplem změnit. Existují dvě základní techniky tvorby vzorků. Klasická používá fixaci biologického vzorku v pojivu (pryskyřice a podobně) s postupným vysušením a nakrájením na tenké řezy. Moderní přístroje přinášejí možnost sledovat vzorky zavodněné avšak prudce ochlazené na teplotu kapalného dusíku (-199°C), případně až na teplotu kapalného helia (-269°C). Vzorek se může připravit z roztoku zmražením do tenké vrstvy, nebo ze tkáně jejím zmražením a nařezáním. Prudké ochlazení omezí tvorbu monokrystalické vody a za nízkých teplot je i voda (led) slučitelná s vysokým vakuem. Pozorování se pak děje za pomocí speciálních držáků, které umožňují po dobu pozorování vzorek udržovat na teplotě blízké teplotě kapalného dusíku nebo i helia. Tato technologie se nazývá kryotechnika a zahrnuje přípravu vzorku, jeho uchování mimo přístroj i metody uchování v přístroji.

Projektivy Obraz vytvořený objektivem je zvětšován několika projektivy až na výsledná zvětšení převyšující i 1 milion. V našem případě se na zvětšování podílí objektiv a potom celkem čtyři projekční čočky. Důležitějším parametrem každého mikroskopu je jeho rozlišovací schopnost. Při postupném zvětšování zjistíme, že od jistého zvětšení již nezískáváme další informaci, že informace je omezena na jistou minimální vzdálenost dvou bodů v obraze. Vše, co je blíže, splyne do jednoho bodu. Tento limit se nazývá rozlišovací schopností. U dobře navrženého přístroje závisí jeho rozlišovací schopnost jen na kvalitě objektivu. Zde popisovaný přístroj


dosahuje rozlišovací schopnosti 0,27 nm a zároveň umožňuje nak lonit vzorek o ±70°.

Zachycení obrazu Výsledný svazek elektronů vycházející z projektivů je promítán na fluorescenční stínítko, kde je proud elektronů převeden na světlo a operátor může v reálném čase sledovat vzorek. K zachycení obrazu se tradičně používá fotografický film zvlášť citlivý na průchod elektronů, který dokáž e velmi dobře zachy tit obraz. V posledních dvaceti letech se rozšiřuje a dnes již zcela převládá digitální technika tvořená soustavou stínítka převádějící elektrony na světlo a jejich zachycení na CCD-čip. Ty nejlepší mají dnes 16 milionů (4000 x 4000) bodů, jsou větší než běžně dostupné v kamerách a fotoaparátech. Aby se dále snížila úroveň šumu, která ro zhoduje na konec o dob ě sn í má n í a o tom, jestli i jen jeden elektron je nalezitelný nebo zapadne v šumu, chladí se celý čip peltierovými články na teploty i pod -20°C. Zavedení digitálních kamer do systému získání obrazu přispělo k výraznému zrychlení času pro získání dat a snížilo počet vadných snímků, na které se přišlo až když se za nějakou dobu snímky vyvolaly. Spolehlivost výsledků a doba potřebná k získání výsledku je vždy jednou z klíčových vlastností každého vědeckého přístroje. Kontrast je pro biologické vzorky bez dalších úprav většinou velmi nevýrazný. Vzorky se skládají z převážně lehkých atomů vodíku, kyslíku, uhlíku, dusíku – tedy prvků s blízkými atomovými čísly. Pro zvyšování kontrastu se používají různé techniky přímého obarvení vzorku chemikáliemi s těžkými kov y (napřík lad osmiem). Jinou možností je vpravit do buněk ještě před přípravou vzorku látky s těžkými kovy (zlatem, platinou), zvané markery, které jsou přirozenými buněčnými pochody převedeny na předpokládaná místa v buňce. Vzorek však také reaguje na procházející svazek elektronů. Čím je delší doba pozorování, tím více se vzorek mění po zátěži elektronovým svazkem. Některé vzorky či jejich oblasti se mohou pozoroČERVENEC –SRPEN 20 07

vat jen jednou, neboť při další zátěži již vidíme něco jiného. Operátor musí téměř naslepo najít oblast s hledanou informací, nebo na to použije jen velmi malý hledací signál. Nastaví přístroj v oblasti těsně sousedící a pro sejmutí obrazu přejde na zkoumané místo.

Filtrace obrazu S tloušťkou vzorku roste taky pravděpodobnost nepružných srážek elektronů se vzorkem, kdy se změní energie (rychlost) elektronu. Tento jev sám o sobě dokáže provádět materiálovou analýzu vzorku technikou zvanou spektroskopie energiových ztrát elektronů (EELS) a velmi dobře odhalovat chemické sloučeniny a vazby, protože každá látka má soubor diskrétních energií, které mohou elektrony při průchodu látkou ztratit. Nicméně se vzrůstajícím počtem takových srážek v přístroji, který nemá žádnou schopnost oddělit původní elektrony od elektronů se sníženou energií, dochází k přek r y tí původního materiálového kontrastu těmito elektrony formou jakého závoje, který značně ztě ž uje identifik aci objekt u. Dochází k zhoršení rozlišovací schopnosti. Jako obvykle i na této frontě člověk pomalu a jistě vítězí. Je několik cest k řešení tohoto problému. Přímočaré je používat tenké vzorky. Jak však uříznout vzorek s tloušťkou 0,1µm a méně? To vyžaduje další specializovaný přístroj a velmi znalou obsluhu – a těch neúspěšných pokusů! Další přímou možností je zlepšení přístroje nebo lépe řečeno jeho chromatické vady, tedy odchylného fokusování elektronů s jinou energií než je základní svazek vycházející z katody. Design optické soustavy je dnes velmi sofistikovanou činností pro několik málo specialistů na světě (Česká republika je zde silně zastoupena) a někdy vyžaduje mnoho pokusů. Vady zobrazení však byly až do konce devadesátých let téměř nepřekonatelné. Až nasazení korektorů vad a filtrů v projekční soustavě a použití autoemisních katod s vlastním menším rozptylem energií přineslo výrazné zlepšení a pokrok. Použití filtrů jde ruku v ruce s použitím digitálních kamer a zobrazení obrazu jen w w w.sciam.cz

s použitím elektronů s jistou ztrátovou energií a tedy chemickou mapu vzorku. Obrazový filtr je velmi složité zařízení. K filtrování se mohou požít různé fyzikální principy. Jedním z nejužívanějších je průchod elektronů přes kolmé magnetické pole. V takovém poli se dráha elektronů zakřiví. Velikost magnetického pole pak určuje celkovou výslednou odchylku od původního směru. Většinou se užívá magnetického pole takové velikosti, že se svazek otočí o 90°. Výsledný svazek projde přes štěrbinu nebo clonu. Elektrony s vyšší r ychlostí (větší energií) se zak řiví o menší úhel než elektrony s energií nižší. Štěrbinou projdou jen elektrony s nastaveným rozsahem energií. Podstatné je, že se dá nastavit energie elektronů procházející např ík lad od 199980 do 199980,4 eV. Čili šířka 0,4eV pro elektrony, které ztratily z původních 200keV 19,6 až 20eV. Za štěrbinou je kamera, která opět snímá obraz, nyní jen ve spektru s danou energií. S klesající šířkou propustného pásma energií klesá také signál a kamera potřebuje delší čas na záznam. Při různých nastaveních energií může vypadat obraz naprosto odlišně – to souvisí s chemickým složením dané části vzorku. Dnes se hojně používá technika přiřazení různé barvy jednotlivým obrazům a jejich skládání do jednoho, jak je vidět na obrázku rozložení prvků N, Si, O, Ti, W v řezu integrovaného obvodu. Zde vysvítá další enormní požadavek na techniku elektronového mikroskopu. Urychlovací zdroj vysokého napětí musí bý t zkonstruován a v yroben tak, aby nepřispíval svou nestabilitou ke změně energie svazku během snímání. Dnešní energiové filtry dokáží rozlišit cca 0,25eV, což znamená, že zdroj napájení elektronové trysky, který operuje na 200kV nesmí mít nestability, drift, zvlnění větší ale spíše by měl mít výrazně menší než je tento limit. Dlouhodobá stabilita napěťového zdroje na úrovni pod 1 ppm je náročná, a navíc to vše musí platit pro napětí 200kV, které extrémně namáhá izolátory, způsobuje ionizaci a snadno způsobí svodový proud po povrchu některého z nesčetných izolátorů a tudíž výraznou nestabilitu.

Při zkoumání biologických vzorků se filtr používá většinou k jinému účelu než identifikaci prvků. Nastaví se tak, že procházejí jen elektrony s původní energií. U poměrně silných biologických vzorků s nepříliš velkým kontrastem působí nepružné srážky elektronů relativně silné pozadí a obraz je tak zahalen do „mlhy“. To výrazně zhoršuje rozlišovací schopnost mikroskopu. Filtrují se velmi úzce všechny elektrony s energií odlišnou od primární energie svazku a výsledkem je čistý obraz s vysokým rozlišením bez zbytečných artefaktů. Takový obraz dává vědcům přesnou informaci bez dohadování a falešných závěrů.

Použití v České republice Výše zmíněný mikroskop je v současné době vyráběn a nastavován v brněnském závodě firmy FEI a bude dodán do Ústavu molekulární genetiky České akademie věd v Praze na základě úspěchu ve veřejné soutěži. Jedná se historicky o jednu z největších zakázek na dodávku elektronových mikroskopů do České republik y s celkovou hodnotou téměř 30 milionů Kč. AUTOR: RNDr. Jiří Očadlík je generálním ředitelem společnosti FEI Czech Republic, s . r. o. a členem Rad y pr ogr amu Nanotechnologie pro společnost při Akademii věd České republiky.


71

Speciální sekce: BIOMEDICÍNA

Recommend Documents