i

Aktuální číslo:

2024/7

Téma měsíce:

Čich

Obálka čísla

Od náhodných jevů k léčbě rakoviny

30. 10. 2023
 |  Vesmír 102, 650, 2023/11
komerční prezentace

Česká vědkyně Magdalena Bazalová-Carter působí již řadu let na předních zahraničních univerzitách. V současné době je docentkou na kanadské University of Victoria, kde se věnuje především výzkumu v oblasti radiační terapie a novým rentgenovým zobrazovacím metodám.

Svá vysokoškolská studia zahájila na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT, protože ji vždycky bavila především matematika a fyzika. Tento zájem posléze propojila se zájmem o medicínu. V současné době považuje za hlavní cíle svého výzkumu zlepšení detekce rakoviny navržením nových diagnosticko- -zobrazovacích metod, zlepšení léčby rakoviny kombinací nanočásticové terapie a radioterapie a snížení nákladů na radiační terapii navržením levnějších radioterapeutických přístrojů schopných léčit současně i více druhů rakoviny.

„Interakce ozařujících částic s lidským tělem se simulují takzvaně pseudonáhodně – částečně pomocí generátoru náhodných čísel, současně však tak, aby byly dodrženy fyzikální zákony.“

Vybudování radiačního centra kdekoli na světě je velmi nákladné – jen cena lineárních urychlovačů dosahuje milionů dolarů. K tomu je třeba připočíst nákladnou související stavebně-technickou infrastrukturu. Magdalena Bazalová-Carter se proto snaží vyvinout přístroje, které by byly levnější a nepotřebovaly by ke svému provozu tak rozsáhlou infrastrukturu. Nové přístroje by rovněž měly minimalizovat vedlejší účinky ozařování, tedy vyslat potřebnou dávku záření mnohem přesněji a rychleji, než je tomu nyní. Jestliže dnes absorpce jedné ozařovací dávky trvá jednu až dvě minuty, cílem Magdaleny Bazalové-Carter je zkrátit tuto dobu na zhruba 500 ms.

Jaké byly vaše studijní začátky? Na co jste se během studií na ČVUT specializovala?

Na ČVUT jsem se soustředila především na fyziku částic vysokých energií. To mě velmi bavilo, ale současně jsem cítila, že bych svou prací měla pomáhat konkrétním lidem. Když jsem byla v posledním ročníku a psala diplomovou práci, vycestovala jsem v rámci studijního programu ERASMUS do Španělska. Zde jsem měla možnost blíže se seznámit s výpočetní metodou Monte Carlo, která se mi vlastně stala osudnou. Když jsem totiž po návratu pokračovala na ČVUT v doktorském studiu, zjistila jsem, že na McGillově univerzitě v kanadském Montrealu se této metodě věnují se zaměřením na fyzikální medicínu, a to mě velmi zaujalo. Přihlásila jsem se tam do výběrového řízení, v němž jsem uspěla, a doktorát jsem tedy dokončila v Kanadě.

Co je podle vás třeba učinit, pokud student během studia – podobně jako vy – zjistí, že by chtěl změnit své odborné zaměření? Máte pro studenty v ČR nějaké doporučení?

Určitě bych jim doporučila, aby se nebáli dělat nové věci a vystoupit ze své „komfortní zóny“, protože tím se člověk hodně naučí. Také by se neměli bát neúspěchu, protože když má člověk stále jen úspěch, tak nepozná, kde leží jeho hranice, a nerozvíjí se tak, jak by se mohl rozvíjet pod tlakem neúspěchu. Další doporučení, které bych studentům dala, je učit se cizí jazyky. Bez dobré znalosti alespoň jednoho cizího jazyka se totiž v zahraničí studovat nedá, a nelze tudíž ani uspět v oboru, který jsme si vybrali. Vyjet do zahraničí, i když třeba jen na měsíc, je opravdu obrovská příležitost k získání zkušeností a nových znalostí o tom, jak se studuje a pracuje v jiných institucích.

Za svou vědeckou práci využívající metodu Monte Carlo jste již byla i oceněna – například Cenou Wernera von Siemense. Můžete tuto metodu blíže popsat?

Co je metoda Monte Carlo

Monte Carlo je třída algoritmů pro simulaci komplexních systémů. Metoda má velmi širokou škálu využití. Obecně lze říci, že je možné ji použít všude tam, kde je řešení dosažitelné pomocí mnohokrát opakovaných náhodných pokusů. Uplatnění nachází nejen v matematice a fyzice, ale také v chemii, ekonomice, informačních technologiích či v meteorologii a enviromentálních vědách. Podstatou této metody je určit střední hodnotu veličiny, která je výsledkem náhodného děje. K výpočtům se dnes využívají počítačové modely, které dokážou provést dostatečné množství simulací v rozumném čase.

Tuto cenu, jež mimochodem byla jedna z mých úplně prvních, jsem dostala za aplikaci metody Monte Carlo na radiační terapii. Metoda Monte Carlo je v podstatě založena na náhodných jevech – nejde však o jevy úplně náhodné, jako třeba když hrajete ruletu v kasinu. Aplikují se v ní totiž některé přesně definované matematické a fyzikální principy. Jedním z velmi dobrých příkladů toho, jak metoda Monte Carlo funguje, je výpočet čísla π. Jak známo, číslo π se používá při výpočtu obvodu nebo plochy kruhu. Narýsujme si tedy kruh a na jeho vnější stranu čtverec, který se tohoto kruhu bude dotýkat. Potom si vezměme šipky a házejme je do tohoto čtverce, přičemž předpokládejme, že jej vždy zasáhneme. Statisticky vzato se šipky rovnoměrně rozmístí po ploše celého čtverce. My pak můžeme spočítat, kolik šipek zasáhlo čtverec, ale zároveň můžeme spočítat i to, kolik šipek se nachází v kruhu. Zásahů v kruhu bude logicky méně než zásahů ve čtverci, protože kruh je ve čtverci a jeho plocha je menší. A víme-li, že plocha čtverce o straně a je a2 a plocha kruhu je π(a/2)2, tak porovnáním poměru těchto ploch s poměrem počtu zásahů šipek v obou plochách vlastně můžeme spočítat číslo π. Krásné na tomto přikladu je, že si ho může každý, kdo má šipky, vyzkoušet.

V radiační terapii můžeme analogicky počítat to, jaké množství záření zasáhne v těle pacienta nádor a kolik zasáhne okolní zdravé tkáně. Interakce ozařujících částic s lidským tělem se simulují takzvaně pseudonáhodně – částečně pomocí generátoru náhodných čísel, současně však tak, aby byly dodrženy fyzikální zákony. Cílem radiační terapie je samozřejmě nasměrovat co nejvíce záření do nádoru a co nejméně jím zatěžovat zdravé tkáně.

O Ceně Wernera von Siemense

Cena Wernera von Siemense, kterou již přes 25 let pořádá český Siemens, se každoročně uděluje nadaným studentům technických a přírodovědných oborů, mladým vědcům a inspirativním pedagogům. Hlavním posláním tohoto ocenění je podněcovat k propojování vědeckého výzkumu a průmyslové praxe. Vedle toho cena přispívá k upevňování pozitivního vztahu studentů i širší veřejnosti k vědě a v neposlední řadě vyzdvihuje neúnavnou práci pedagogů, která bývá často opomíjena. Svým rozsahem, výší finančních odměn a tradicí patří tato soutěž mezi nejvýznamnější nezávislé iniciativy tohoto druhu v České republice. Vítězné práce vybírá nezávislá komise, složená z rektorů a prorektorů předních českých univerzit, předsedkyně Akademie věd a ředitelů ústavů AV. Od roku 1997 bylo na odměnách spojených s Cenou rozděleno již více než 15 milionů Kč mezi 450 studentů, pedagogů a vědců.

Uvedla jste, že Cena Wernera von Siemense byla jedním z prvních ocenění, která jste za svou vědeckou práci získala. Jaký pro vás mělo význam?

Význam pro mě mělo přímo obrovský. V České republice, a myslím, že obecně v Evropě, se totiž v porovnání se zámořím ceny za vědeckou práci až tak často neudělují. To je podle mne pro české, resp. evropské studenty, kteří pokračují ve studiu třeba v Severní Americe nebo v Austrálii, jistý handicap, protože tam se ceny dávají velmi často. Tyto ceny potom studentům pomáhají v jejich další vědecké kariéře. Já jsem to poznala na vlastní kůži, když jsem žádala o grant od amerických Národních ústavů zdraví (National Institutes of Health). Ten jsem při první žádosti nedostala, ale následující rok, poté co jsem dostala jiný malý grant, již ano. Jeden z oponentů mé žádosti přímo do posudku napsal, že grant by mi měl být tentokrát udělen, protože jsem za svoji práci už jednu cenu získala. A nepochybuji o tom, že Cena Wernera von Siemense, protože byla jedna z mých prvních, nemalou měrou přispěla i k tomu, že jsem později získala i další vědecká ocenění.

Jaká další odborná ocenění jste získala? Úplně první cenou byla v roce 2007 Sylvia Fedoruk Award, což je cena udělovaná v Kanadě za nejlepší vědeckou publikaci v oblasti fyzikální medicíny. Dále jsem dostala několik cen od Americké asociace fyziků v medicíně (American Association of Physicists in Medicine), jako například Research Seed Funding Initiative Award, John S. Laughlin Young Scientist Award a Jack Fowler Junior Investigator Award. V roce 2021 jsem získala Research Excellence Award na University of Victoria, kde momentálně působím. Letos budu za své vědecké úspěchy uvedena do Kanadské královské společnosti (Royal Society of Canada).

Jaké jsou nyní vaše největší výzkumné cíle? Co by vám na poli výzkumu udělalo největší radost?

Jako správný akademik mám velkých výzkumných cílů hned několik. Jedním z nich je vyvinout ozařovací přistroj na léčbu rakoviny plic, který bude stát pouze desetinu ceny současných lineárních urychlovačů. Za posledních osm let jsme pomocí metody Monte Carlo vyvinuli design našeho přístroje, který by se teoreticky mohl vejít i do dodávky, takže by bylo možné používat ho k léčbě pacientů ve vzdálených oblastech daleko od nemocnic. V současné době nám univerzita buduje laboratoř, v níž budeme přístroj během následujících čtyř let stavět. Našimi prvními pacienty budou psi se sarkomem měkkých tkání.

Dalším naším velkým cílem je přispět k vývoji ozařovacího přístroje, který zasáhne celý nádor ve zlomku sekundy. V roce 2013 jsem při práci na Stanfordově univerzitě v Kalifornii opět pomocí simulací Monte Carlo zjistila, že elektrony velmi vysokých energií by takto ultrarychle mohly ozařovat nádory. Nyní spolupracujeme s CERN a se švédskou společností RaySearch na vývinu tohoto nového ozařovacího přístroje, který však bude mnohem dražší než ty současné.

A co by mi udělalo největší radost? Určitě by to bylo zjištění, že náš výzkum – tedy mého týmu, mých studentů – nezůstane jen v počítači nebo v laboratoři, ale že jej bude v brzké době možné aplikovat na pacienty. Úplně nejhezčí by bylo, kdyby se někteří pacienti s rakovinou zcela vyléčili nebo léčba alespoň výrazně zlepšila jejich zdravotní stav díky tomu, že se náš výzkum podařilo převést do medicínské praxe. Vidět, že výsledky naší práce opravdu pomáhají, by mi tedy udělalo tu úplně největší radost.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Medicína, Částicová fyzika

Doporučujeme

Algoritmy pro zdraví

Algoritmy pro zdraví

Ondřej Vrtiška  |  8. 7. 2024
Umělá inteligence proniká do medicíny a v následujících letech ji nejspíš významně promění. Regina Barzilay z MIT má pro vývoj nástrojů...
Mají savci feromony?

Mají savci feromony?

Pavel Stopka  |  8. 7. 2024
Chemická komunikace je způsob předávání a rozpoznávání látek, jímž živočichové získávají informace o jiných jedincích, o jejich pohlaví a věku, o...
Jak funguje moderní speleologie

Jak funguje moderní speleologie uzamčeno

Michal Filippi, Jan Sirotek  |  8. 7. 2024
Přesně před 150 lety byla na prodej Mamutí jeskyně. Systém, který do té doby sloužil jako místo pro těžbu ledku z guana, byl k mání za pouhých...