Przychodzi kardiolog do fizyka i… co z tego wynika, czyli nowe spojrzenie na serce i raka

Katarzyna Pinkosz, Wprost: Fizycy z Politechniki Warszawskiej, wspólnie z kardiologami z Narodowego Instytutu Kardiologii pracują nad stworzeniem urządzenia, które pomoże ocenić wynik badania EKG z pomocą sztucznej inteligencji. To się uda?

Dr hab. inż. Teodor Buchner: Pracujemy nad tym, a lista współpracujących z nami szpitali jest dłuższa, obejmuje chociażby Centrum Zdrowia Dziecka, Szpital Wolski czy Szpital Dzieciątka Jezus. Ale pierwszy był Anin. Nasza współpraca z kardiologami rozpoczęła się w latach 90. Lekarze z Anina: dr Wanda Popławska i Rafał Baranowski zwrócili się do nas, mówiąc, że mają problem, ponieważ jest grupa młodych osób, które umierają z przyczyn kardiologicznych, chociaż nie mają żadnej organicznej choroby serca.

Kardiolodzy nie wiedzieli, jaka jest przyczyna tych nagłych zgonów i jak oszacować ryzyko; byli tak zdeterminowani, że poprosili o pomoc fizyków. Byli gotowi nauczyć się „języka” fizyki, by uzyskać podpowiedź, kto jest zagrożony nagłym zgonem. Podziwiałem ich determinację.

Udało się zdiagnozować, dlaczego ci młodzi ludzie umierali?

Tak, chociaż jak zwykle w nauce odpowiedź rodzi nowe pytania. Pionierem tych badań na Politechnice był mój mentor, profesor Żebrowski, który zajmował się teorią chaosu. Można streścić tę teorię stwierdzeniem, że w szumie zawarta jest informacja. Takim „szumem” w przypadku kardiologii był rytm serca. Nie jest on równy, serce pobudzane jest trochę rzadziej lub trochę częściej, odległość między kolejnymi pobudzeniami, którą można zmierzyć w EKG, zmienia się. Kardiolodzy przyszli do nas z pytaniem, czy w tym szumie coś może być ukryte, czy jesteśmy w stanie to zobaczyć. Początki nie były łatwe: profesor Żebrowski, oceniając rytm serca, podzielił pacjentów na grupy, stwierdzając, że pierwsza grupa jest chora, a druga zdrowa.

Tymczasem było dokładnie odwrotnie: ci, których profesor Żebrowski uznał za chorych, byli w rzeczywistości zdrowi. Okazało się, że jeżeli rytm serca jest zbyt regularny, to nie jest dobrze. To było nasze pierwsze zdziwienie.

Później, w toku dalszej współpracy, takich zadziwień było więcej, zarówno po stronie fizyków jak lekarzy. Dla mnie jednym z takich ciekawych wątków okazał się oddech. Proces oddychania jest podporządkowany aktualnemu zapotrzebowaniu na tlen, a to z kolei decyduje o tym, jaki jest rytm serca. Z rytmu serca można odczytać emocje, podobnie jak z oddechu. Oddech i praca serca są mocno powiązane. Badanie tych powiązań okazało się fascynujące. Poznajemy świat, ale też staramy się wykorzystać te informacje w diagnostyce kardiologicznej.

Historii dotyczących oddechu jest wiele. Na przykład jaszczurka, kiedy „biega”, to nie oddycha, a kiedy oddycha, to nie biega, ponieważ wykorzystuje te same mięśnie do oddychania i do biegania. Gdy przepłoszy się jaszczurkę, to ona przebiegnie kilka metrów i zastyga. To nie jest element strategii, tylko konieczność uzupełnienia tlenu. Z kolei psy mają bardzo silną arytmię oddechową, tzn. szybszy rytm serca na wdechu, a wolniejszy na wydechu.

Wróćmy do współpracy z Instytutem Kardiologii. Udało się znaleźć wspólny język fizyczno-medyczny, ale też nawiązać współpracę, która owocowała…

Obecność fizyków w Instytucie Kardiologii to był początek. Zaczęliśmy współpracować z wieloma innymi jednostkami medycznymi w Polsce, chociażby z Wojskowym Instytutem Medycznym, z którym badaliśmy ciśnienie krwi w tak zwanym teście pochyleniowym. Spotykamy się wspólnie na dorocznych konferencjach Polskiego Towarzystwa Kardiologicznego, bo tematów, które moglibyśmy wspólnie eksplorować, jest wiele.

Fizyk może pomóc klinicyście?

Lekarz klinicysta jest na pierwszej linii frontu, ma za zadanie w bardzo krótkim czasie podjąć optymalną dla pacjenta decyzję, na podstawie wiedzy, którą posiada i niepełnych danych o pacjencie. Jako fizycy możemy wspomóc klinicystów w rozwijaniu wyobraźni, aby byli w stanie rozwiązywać problemy stabilności elektrycznej serca. Nawet, jak zamkną oczy, żeby widzieli to, co im pokazaliśmy, by mieli na czym budować swoją intuicję kliniczną.

A jak pomoże lekarzom aparat, nad którym obecnie pracujecie, który ma ułatwić interpretację wyniku EKG?

Serce składa się z komórek, z których każda, gdy zostaje pobudzona elektrycznie, kurczy się, i jednocześnie przekazuje pobudzenie do następnej komórki; w ten sposób płynie fala pobudzenia. Gdy popatrzyliśmy na ten proces od strony fizycznej, to zauważyliśmy, że wiele pojedynczych komórek zachowuje się jak kolektyw. Z perspektywy fizyki możemy ten proces rozłożyć na dwa różne. Pierwszym jest proces podróży fali pobudzenia przez tkankę – którędy płynie, aby objąć wszystkie komórki serca. Drugi proces to odpowiedź jaką pojedyncza komórka reaguje na takie pobudzenie, w postaci napięcia elektrycznego, które rejestrujemy jako EKG. Spróbowaliśmy proces pobudzenia całego serca rozłożyć na te dwie składowe. Zaprzęgliśmy sztuczną inteligencję, aby obsłużyła nam ten podział na dwa procesy. Jak do komórki dotrze pobudzenie, to ona zareaguje elektrycznie w określony sposób, a sztuczna inteligencja ma na podstawie zarejestrowanego u pacjenta EKG powiedzieć, którędy ten impuls szedł po sercu. Sztuczna inteligencja potrafi odtworzyć tę drogę – tworzy nam „mapę”, która mówi, do której elektrody EKG i w jakiej kolejności pobudzenie dociera.

To nowy sposób myślenia; nie widziałem na świecie prac naukowych, gdzie byłby zastosowany. On jest bardzo „fizyczny”: zastosowaliśmy do serca sposób patrzenia na świat, za pomocą którego analizujemy wszystkie układy fizyczne, czyli dzielimy go na składowe. Teraz jesteśmy na etapie przedklinicznej walidacji: pokazujemy nasz pomysł kolegom fizykom, bioinżynierom, lekarzom, fizjologom, biochemikom. Pytamy, czy im się to przyda. Póki co reagują na nasze pomysły bardzo życzliwie.

Jest szansa na zastosowanie kliniczne?

Tak, choć trzeba na to czasu. Pomysły w fizyce medycznej są oceniane na podstawie skuteczności: czy dzięki nim klinicyści będą w stanie lepiej zrozumieć sytuację pacjenta, podejmować lepsze decyzje. Trzeba zbudować body of evidence, czyli korpus wiedzy, opis, co ta metoda daje w odniesieniu do różnych grup chorych; czy zmiany, które pokazujemy, rzeczywiście mają znaczenie. Jeżeli nam się to uda, to będziemy mieli działającą metodę, a jeśli nie, to poszukamy innego podejścia. EKG jest bardzo trudne do oceny, bardzo łatwo popełnić błąd, który będzie miał bardzo poważne skutki, dlatego narzędzie, nad którym pracujemy, na pewno będzie potrzebne. Zmiana „języka”, o której mówiłem, wiąże się również z uproszczeniem pojęć, kryteriów klinicznych rozpoznania. Lekarze, którzy muszą podjąć decyzję na podstawie EKG, będą ją lepiej rozumieli, a przez to diagnozy będą lepszej jakości. Sztuczna inteligencja jest takim narzędziem, które wykonało za nas pewne operacje matematyczne, bo nadal o wszystkim decyduje lekarz ze swoją bogatą intuicją kliniczną.

Kiedy takie narzędzie ułatwiające ocenę EKG mogłoby wejść do praktyki klinicznej?

W tej chwili pracujemy na wcześniej zarejestrowanych zapisach w publicznych bazach danych, w których są zapisy EKG i rozpoznania pacjentów. Na tej podstawie możemy konstruować podstawową wiedzę. Korzystamy też z bazy niemieckiej PTB, która zawiera ponad 19.000 zapisów EKG. Chcemy wspólnie z lekarzami rozpocząć projekt badawczy, w ramach którego rozwijalibyśmy ten temat. Natomiast cały czas pracujemy nad postawami fizycznymi, aby coraz lepiej rozumieć te złożone zjawiska.

„Nowotwór widzimy przede wszystkim z perspektywy uszkodzeń DNA, a tymczasem jest to złożony układ dynamiczny, w którym niebagatelną rolę odgrywają zjawiska bioelektryczne” – mówił Pan podczas seminarium na wydziale Fizyki PW na temat nowotworów. Czy fizyka może pomóc w lepszym zrozumieniu biologii nowotworów, w ich wcześniejszym wykrywaniu i leczeniu?

Jednymi z pierwszych zmian zachodzących w rozwijającej się komórce, która degeneruje się po mutacji w stronę komórki nowotworowej, są zmiany o charakterze elektrycznym. Wykryto, że występują one bardzo wcześnie: następuje aktywacja kanałów jonowych transportujących sód przez błonę komórki. Jeślibyśmy potrafili te kanały blokować wyłącznie w komórkach nowotworowych, to być może one by się nie rozwijały. Zmiany elektryczne decydują o cechach charakterystycznych nowotworu. Po pierwsze, jest on bardzo chłonny na energię (ma wysoki poziom metabolizmu), a po drugie bardzo intensywnie się dzieli.

Obydwa te mechanizmy mają podłoże elektryczne, i w wielu przypadkach służą człowiekowi, występują np. w procesie gojenia ran. Mechanizm elektryczny – zmiana potencjału spoczynkowego – powoduje, że przy gojeniu ran komórki szybko się dzielą, podobnie jak przy bardzo szybkim podziale komórek nowotworowych. Wspólnym w tych obydwu zmianach jest etap polegający na zmianie własności elektrycznych błony takiej komórki, która wie, że ma się intensywnie dzielić. To samo dotyczy metabolizmu: zmiana własności elektrycznych błony powoduje przemodelowanie procesów metabolicznych komórki. Jeśli szybko się dzieli, to musi dużo energii zużyć na wytworzenie wszystkich struktur dla nowej komórki.

Fizyka w nowotworach idzie dalej. W Stanach Zjednoczonych już pojawiła się terapia jednego z trudniejszych do wyleczenia nowotworów – glejaka.

Są wykorzystywane specjalne czepki, które do mózgu wysyłają słabe pole elektromagnetyczne, czyli fale radiowe o odpowiedniej częstotliwości, które powoduje, że rozwój nowotworu zatrzymuje się. Przestaje on się dzielić. Obecność tych fal powoduje, że proces podziału komórki co prawda nadal zachodzi, ale jest nieskuteczny, to znaczy komórki są na tyle upośledzone, że nie są w stanie przeżyć. Liczba komórek nie rośnie, w związku z tym guz nowotworowy się nie rozwija. To jest bardzo ciekawa metoda terapeutyczna, określana handlowo jako tumor treating fields (TTF): hamuje rozwój glejaka przez zastosowanie pola elektrycznego o niskiej częstotliwości.

Uświadomienie faktu, że zmiany nowotworowe rozpoczynają się zmianami o charakterze elektrycznym, mogłoby być ważne zarówno, jeśli chodzi o wczesną diagnostykę jak wczesny etap leczenia nowotworów?

Wiemy, że komórki nowotworowe mają inny obraz elektryczny niż komórki zdrowe, tylko nie umiemy jeszcze na bardzo wczesnym etapie ich odróżnić. Obraz elektryczny komórek w organizmie jest bardzo kapryśny dlatego, że metody oddziaływania procesu elektrycznego w organizmie są bardzo bogate. Jest jeszcze wiele do zrobienia, by ten proces zrozumieć, ale jeśli to się uda, to mamy nadzieję na nowe metody leczenia, takie jak TTF. Jej genezą było przecież patrzenie okiem fizyka czy bioinżyniera na żywą tkankę. Na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej prowadzimy zresztą badania nad wpływem promieniowania jonizującego na przeżywanie komórek, co jest ważne w terapii, ale również dla BHP pracowników elektrowni atomowych, czy personelu pokładowego samolotów. To jest ciekawy temat, o którym kiedyś chętnie opowiemy.

Fizyka coraz częściej będzie więc wspomagała medycynę?

Taką mam nadzieję; tematem współpracy i tematem zastosowania fizyki w medycynie są zainteresowane różne jednostki po obu stronach granicy, m.in. Centrum Medyczne Kształcenia Podyplomowego, Collegium Medicum i Wydział Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego, Uniwersytet Medyczny w Białymstoku, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Gdański Uniwersytet Medyczny, Warszawski Uniwersytet Medyczny, a także uczelnie zagraniczne, m.in. z Holandii, Danii, Słowacji, Niemiec. Jest chęć wzajemnego zrozumienia specjalistów z różnych dziedzin.

Dr hab. inż. Teodor Buchner pracuje w Zakładzie Fizyki Układów Złożonych na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej, specjalizuje się w fizyce ciała stałego oraz fizyce medycznej.