Vilniaus universiteto (VU) fizikai, taikydami rentgeno spinduliuotę ir lazerių bei organinių puslaidininkių technologijas, kuria ir tiria ateities medžiagas. Mokslininkų komanda siekia sukurti naujos kartos dozimetrijos platformą – pažangią technologinę sistemą, kuri molekuliniu lygmeniu matuotų, registruotų ir analizuotų jonizuojančiosios spinduliuotės dozę. Pasak VU Fizikos fakulteto mokslininkų, tokių tyrimų rezultatai gali būti svarbūs ne tik efektyvesnei vėžio diagnostikai, biomedicinai, bet ir kitoms aukštųjų technologijų sritims.
Radiacijos poveikį numatys ir prognozuos tiksliau
„Tradiciniai radiacijos matavimo prietaisai pasiekė savo technologines ribas. Daugelis senesnės kartos detektorių nėra pakankamai jautrūs, neleidžia tiksliai nustatyti spinduliuotės pasiskirstymo arba negali veikti realiu laiku. Jie nėra pritaikyti sparčiai besivystančioms išmaniosioms technologijoms“, – pasakoja VU Fizikos fakulteto Cheminės fizikos instituto mokslininkas dr. Rokas Dobužinskas.
Anot jo, medicinoje ir gyvybės moksluose vis didesnę reikšmę įgauna matavimų tikslumas ir patikimumas. Mokslininkų kuriama naujos kartos dozimetrijos platforma bus skirta biomedicinos sričiai.
„Siekiame sukurti radiacinius technologinius sprendimus, kurie labiau atitiktų šiuolaikinius poreikius – būtų jautresni pageidaujamose ribose, nekeltų pavojaus nei pacientų sveikatai, nei aplinkai“, – sako jis. Ateityje, sukūrus šią platformą, diagnostika galėtų būti greitesnė ir dar tikslesnė, o naudojami prietaisai – mobilūs, taupantys energiją ir draugiški aplinkai.
„Platforma bus tiriama taikant įvairius spinduliuotės šaltinius ir testuojama imituojamose biologinėse aplinkose, įskaitant vėžinių ląstelių modelius. Atliekame tyrimus, tiesiogiai susijusius su radioterapija – vėžio gydymo metodu, kai navikinės ląstelės yra veikiamos tiksliai nukreipta spinduliuote, stengiantis kuo labiau apsaugoti sveikus audinius. Kuriame specializuotas medžiagas, pritaikytas efektyviai sugerti įvairių rūšių jonizuojančiąją spinduliuotę“, – pasakoja dr. R. Dobužinskas.
Pasak jo, tiksliai numatyti ir prognozuoti radiacijos poveikį konkrečiam pacientui yra itin svarbu. „Gydymo praktikoje, ypač taikant personalizuotos medicinos sprendimus, itin svarbu tiksliai numatyti ir prognozuoti radiacijos poveikį, pasekmes ir kitas indikacijas. Siekiame ištirti sprendimus, kurie leistų realiu laiku matuoti, kokią radiacijos dozę gauna navikas – tie audiniai, kuriuos gydytojai nori paveikti terapijos metu. Tokia informacija leistų iš karto įvertinti gydymo eigą ir, jei reikia, ją tiksliai pakoreguoti“, – teigia VU mokslininkas.
VU Fizikos fakulteto Lazerinių tyrimų centro mokslininkas dr. Mantas Grigalavičius pažymi, kad tyrimo rezultatai bus svarbūs ir kitose srityse, kur reikalingi patikimi radiacijos matavimai. Pavyzdžiui, aplinkos mokslų, meteorologijos, atsinaujinančiųjų išteklių energetikos ir klimato kaitos tyrimuose. „Sparčiai plečiantis dirbtinio intelekto taikymui, nuolatiniai ir tikslūs duomenys tampa būtini patikimoms analizėms ir prognozėms. Tikimės, kad šie ateities jutikliai prisidės prie išmanesnių technologinių sprendimų kūrimo įvairiose srityse“, – apibendrina jis.
Naujos kartos jutikliams pritaikyti organiniai puslaidininkiai
Mokslininkai kuria itin plonus, beveik nematomus jonizuojančiajai spinduliuotei jautrios organinės medžiagos sluoksnius. „Juos galima palyginti su išmaniąja plėvele. Šios medžiagos pasižymi savitomis elektrinėmis savybėmis: kai jas pasiekia rentgeno spinduliai, jos akimirksniu sureaguoja ir sukuria silpną, tačiau lengvai registruojamą elektrinį signalą. Šių medžiagų pranašumas – didelis signalo ir triukšmų santykis: kuo signalas aiškesnis, tuo tiksliau galima išmatuoti radiacijos dozę, išgauti ryškesnį vaizdą. Tai panašu į perėjimą nuo neryškios prie aukštos raiškos nuotraukos – matome daugiau detalių, bet fiksuojame mažiau triukšmo. Tokios medžiagos atveria kelią efektyvesniems, universalesniems ir ekologiškesniems ateities medicinos ir biologinių tyrimų prietaisams“, – paaiškina dr. R. Dobužinskas.
Organiniai puslaidininkiai siūlo kitokius sprendimus šiuolaikiniams elektroniniams prietaisams nei elektronikos pramonėje dominuojantys silicio pagrindu kuriami puslaidininkių įrenginiai. „Tokie puslaidininkiai geba perduoti elektrinius signalus ir reaguoti į išorinius dirgiklius – šviesą ar jonizuojančiąją spinduliuotę. Praktikoje tai reiškia, kad organiniai puslaidininkiai gali būti naudojami jautriose struktūrose, ekranuose ar diagnostiniuose prietaisuose, kuriems svarbu ne tik tikslumas, bet ir mažos energijos sąnaudos. Be to, dėl jų cheminės įvairovės šias medžiagas galima pritaikyti pagal konkrečius poreikius – pagerinti signalo išskiriamumą, stabilumą ar atsaką į pasirinktą spinduliuotės tipą. Tai svarbu ateities technologijų sprendimams“, – pasakoja VU fizikas.
Vietoj standžių kristalinių struktūrų mokslininkai naudoja anglies pagrindu sudarytas organines medžiagas. Jas galima sintetinti cheminėmis reakcijomis ir apdoroti žemesnėje temperatūroje. „Šie junginiai bus integruoti į plonų sluoksnių jutiklius, gebančius realiu laiku aptikti jonizuojančiąją spinduliuotę (neutronus, protonus, rentgeno spindulius) su dideliu jautriu ir erdvine raiška. Dėl to galima kurti itin plonus, lengvus ir net lanksčius prietaisus, pritaikytus naujos kartos jutikliams ir kitoms medicininėms reikmėms“, – sako mokslininkas.
Radiacijos dozimetrija – tarpdisciplininė mokslo sritis
Pasak dr. R. Dobužinsko, radiacijos dozimetrija – mokslo sritis, kur taikomi metodai leidžia tiksliai išmatuoti ir įvertinti jonizuojančiosios spinduliuotės dozę, sugeriamą, pavyzdžiui, žmogaus kūno audiniuose ar ląstelėse. „Ji ypač svarbi medicinos diagnostikoje, rentgeno, kompiuterinės tomografijos ar branduolinės medicinos tyrimuose ir gydyme, ypač spindulinėje terapijoje. Dozimetrija padeda užtikrinti, kad procedūrų metu būtų skiriama pakankama radiacijos dozė, reikalinga kokybiškam ir diagnostiniu požiūriu vertingam vaizdui ar terapiniam efektui pasiekti. Bet kartu užtikrinamas ir pacientų saugumas – kuo labiau apribojama radiacijos žala sveikiems pacientų audiniams“, – pasakoja jis.
Ši sritis taip pat padeda suprasti, kaip skirtingos radiacijos dozės veikia biologinius procesus, ląsteles, jų DNR. Pasakodamas apie rentgeno spinduliuotės svarbą dozimetrijos tyrimuose, dr. R. Dobužinskas pažymi, kad rentgeno spinduliuotė plačiai taikoma eksperimentiniuose biologiniuose tyrimuose, siekiant suprasti radiacijos sukeltus struktūrinius ir funkcinius pokyčius. Tokios žinios būtinos vertinant radiacijos riziką, kuriant radiacinės saugos sprendimus ir tiriant spinduliuotės poveikį gyviems organizmams.
„Pasitelkiant rentgeno spinduliuotę, tiriama energijos sugertis audiniuose, vertinama dozė mikro- bei makromastu ir modeliuojamas biologinis poveikis ląstelėms ir biomolekulėms. Ji nepakeičiama kuriant ir kalibruojant medicininius prietaisus, taip pat vertinant pacientų apšvitą diagnostinių procedūrų metu“, – sako VU fizikas.
Jis pabrėžia, kad dėl gerai kontroliuojamų fizikinių savybių rentgeno spinduliuotė sujungia fizikos principus su praktiniais medicinos ir biologijos mokslų taikymo poreikiais.
„Ši spinduliuotė priskiriama mažesnės energijos jonizuojančiosios spinduliuotės rūšims, tačiau itin efektyviai sąveikauja su organinėmis molekulėmis biologiniuose audiniuose. Skirtingai nei branduolinės kilmės jonizuojančiosios spinduliuotės atveju, rentgeno spinduliai kyla ne iš atomo branduolio, o iš elektronų energijos virsmų elektroniniuose atomo sluoksniuose. Nors šių virsmų energija yra mažesnė nei vykstančiųjų branduolinių procesų metu, rentgeno spinduliuotė daugelyje medžiagų sugeriama itin efektyviai, todėl gali sukelti žymius fizinius, cheminius ir biologinius pokyčius gyvuosiuose audiniuose“, – pasakoja dr. R. Dobužinskas.
Jis apibendrina, kad radiacijos dozimetrija yra jungtis tarp fizikos, medicinos ir biologijos, padedanti radiaciją naudoti saugiai, tiksliai ir moksliškai pagrįstai.
Dr. R. Dobužinskas vadovauja tarpdisciplininio projekto plėvelių gamybos darbo paketui. Projektas vienija Vilniaus universiteto ir Kauno technologijos universiteto mokslininkų ekspertines žinias organinės sintezės, prietaisų inžinerijos ir biomedicininių tyrimų srityse. Skirtingos mokslinės disciplinos projekte sujungiamos vadovaujant VU Fizikos fakulteto Lazerinių tyrimų centro mokslininkui dr. M. Grigalavičiui.
Tyrimai atliekami įgyvendinant Lietuvos mokslo tarybos finansuojamą projektą „Naujos kartos dozimetrijos platforma, skirta efektyviam molekulinių radiacijos surinkimo centrų pritaikymui biomedicinos srityje“ (Nr. S-MIP-25-20).
