Nový přístroj zprovozněný na FI umožní lepší náhled do útrob buňky

Nový obrazový cytometr, přístroj umožňující automatizované snímání a zpracování buněk (a jejich obarvených částí) včetně sledování živých buněk, byl zprovozněn v Centru analýzy biomedicínského obrazu (CBIA) na Fakultě informatiky. Hlavním posláním přístroje je vizualizace prostorového uspořádání genetického materiálu v jádře buňky a vztahu tohoto uspořádání k závažným onemocněním člověka.

Slovo cytometr je odvozeno od řeckých slov kytos (buňka) a metrum (měřit). Přívlastek obrazový znamená, že sledujeme obrazy, v tomto případě produkované optickým mikroskopem. Celý systém je řízen pomocí softwaru dlouhodobě vyvíjeného v CBIA. Obrazový cytometr byl sestaven z pečlivě vybraných špičkových komponent předních světových výrobců a je založen na třech dávných vynálezech (z toho jednom českém), které mají společné to, že se i přes svůj revoluční význam dočkaly svého uplatnění a ocenění až několik desetiletí po svém vzniku.

Hlavním akademickým pracovištěm v ČR, ale i celosvětově, které pokračuje v „národní tradici“ a propaguje výše zmíněný český vynález, je právě CBIA. Toto pracoviště má k dispozici oba dostupné komerční výrobky založené na tomto vynálezu a doplněné o automatizaci, kvalitní optiku i kvalitní kamery, ale také vlastní software, který je šitý na míru tomuto druhu mikroskopie a snaží se demonstrovat jeho výhody. CBIA je interdisciplinární pracoviště sdružující odborníky zejména v oblastech počítačového zpracování obrazu, optické mikroskopie a molekulární biologie. Zabývá se primárně automatizací snímání a zpracování obrazů buněk pomocí optické mikroskopie. Působí jak na Fakultě informatiky, tak v novém kampusu v Bohunicích (ILBIT, budova A3). Více informací o CBIA lze nalézt na http://cbia.fi.muni.cz.

Oprášené vynálezy, které předběhly dobu
Všechno to začalo o Vánocích roku 1883, kdy německý inženýr a vynálezce polského původu Paul Nipkow (1860–1940) seděl sám u olejové lampy a náhle ho napadla myšlenka, jak značně zjednodušit snímání a rozklad obrazu pomocí rotujícího disku, který je po obvodu opatřen otvory umístěnými ve spirále (viz foto). Do té doby se totiž prováděly pokusy se snímači, kde každý obrazový bod musel být snímán vlastním fotočlánkem. Nipkowův kotouč vyžaduje fotočlánek pouze jeden a rozklad obrazu provádí zmíněný kotouč s otvory.

V roce 1884 Paul Nipkow tuto techniku patentoval, ale po patnácti letech patent bez povšimnutí zanikl. Teprve v roce 1925 byl Nipkowův disk skutečně použit pro první (mechanickou) třicetiřádkovou televizi s pěti snímky za sekundu. Mechanická televize však byla provozována pouze několik let a byla začátkem třicátých let nahrazena elektronickou.

Druhý vynález, který rovněž změnil dějiny a bez něhož by se moderní optická mikroskopie a výzkum buněk neobešly, pochází z roku 1957 a autorem patentu je Američan Marvin Minsky (1927) známý především z oblasti umělé inteligence. Během svého působení na Harvardu totiž vymyslel způsob, jak lze snímat pouze obraz pocházející z roviny, na kterou máme zaostřenou optickou soustavu, a blízkého okolí této roviny tak, aby se obrazová informace, která je příliš vpředu nebo příliš vzadu, nedostala do snímače. Je to, jako kdyby si člověk vzal fotoaparát, který bude fotit pouze objekty, na něž je optika zaostřena: v lese tedy například vyfotí srnku a stromy se zhruba stejnou vzdáleností od fotoaparátu jako srnka, ale nezachytí již stromy vpředu a vzadu. Mikroskopy založené na této technice se nazývají konfokální mikroskopy a jsou v dnešní době hlavními a nejdůležitějšími nástroji pro výzkum buněk a jejich částí. Tyto typy mikroskopů se však začaly vyrábět až v osmdesátých letech poté, co byly doplněny o laserový zdroj světla.

Konečně třetí neméně důležitý vynález je domácího původu a jeho autorem je profesor biofyziky z Plzně Mojmír Petráň (1923), jeden z nejvýznamnějších českých vědců a vynálezců. V polovině šedesátých let vymyslel takzvaný konfokální mikroskop s dvojitým řádkováním, čímž v podstatě spojil dohromady dva výše zmíněné vynálezy dohromady a navrhl modifikovanou verzi Nipkowova disku vhodnou pro optickou mikroskopii a zároveň zajišťující konfokální efekt. Výrazně zredukoval velikost disku i velikost otvorů a zároveň zvětšil počet otvorů z desítek na tisíce, čímž de facto sestrojil přístroj, v němž pracují tisíce běžných konfokálních mikroskopů zároveň. Prof. Petráň patentoval svůj vynález v roce 1967 v USA a publikoval v roce 1968, ještě před následnou okupací Československa. Zatímco po roce 1968 vyráběl prof. Petráň svůj typ mikroskopu jako hobby „na koleně“ v rámci JZD Komorno u Plzně v jednotkách kusů, od roku 1997 se tento typ mikroskopu vyrábí komerčně ve velkých počtech, ovšem za řádově vyšší cenu.