Včela uchycená v držáku vytvořeném na 3D tiskárně. Kredit: Saha lab, Michigan State University

Senzorické schopnosti celé řady živočichů dalece přesahují to, čím evoluce vyzbrojila nás, lidi. Nedostižnou konkurenci v citlivosti některého ze smyslů nalezneme snad ve všech třídách živočichů, včetně hmyzu. Tak například včely. Nejenže vidí ve stejné spektrální oblasti jako my, ale registrují i jistou část blízkého UV záření. K vyhledávaní zdrojů potravy, k orientaci i komunikaci pomocí feromonů jim však pomáhají i velice citlivé čichové receptory umístěné v tykadlech a propojené s neurony v čichovém centru hmyzího mozku. Vědcům z Michiganské státní univerzity (Michigan State University) se podařilo prokázat, že včela je sto ucítit i slabé pachové stopy, jimiž se v dechu člověka prozrazuje rakovina plic. Studii zveřejnil časopis Biosensors and Bioelectronics.

Vedoucí studie Debajit Saha je odborným asistentem na Katedře biomedicínského inženýrství Michiganské státní univerzity, kde šéfuje Laboratoři bioinženýrství čichových senzorických systémů (více zde) Kredit: Michigan State University

Výsledky mnohých testů vedly k závěru, že včela medonosná s minimálně 93% jistotou registruje i velmi malé koncentrace nádorových biomarkerů v plynné směsi, jež odpovídá lidskému výdechu.

Jenže pouze v pohádkách dokáže včelka mezi několika dívkami označit tu pravou tím, že si na ni sedne. Skutečnou včelu stěží přesvědčíme k tomu, aby se proletěla kolem pacientů s déletrvajícími dýchacími potížemi a pomohla rychle vybrat adepty na bezodkladné onkologické vyšetření. Jak tedy vědci vůbec vědí, že tento, pro nás životně důležitý hmyz dokáže přes receptory v tykadlech vnímat ve směsi různých těkavých látek v prostředí i chemickou stopu rakoviny plic? Prozradil jim to specifický vzor aktivity neuronů v čichovém centru hmyzího mozku napojeného pomocí titěrného pole mikroelektrod na snímací zařízení.

Pod tykadla uvězněné včely vědci vypouštěli vzorky zkoumaných plynných směsí Kredit: Saha lab, Michigan State University

Aby výzkumníci mohli jemný svazek drátků správně umístit do malé hlavy včely, chladem ji předem znehybněli a pak pomocí kousku vosku zafixovali do plastového držáku vytvořeného k tomuto účelu v 3D tiskárně. Pak ji pod tykadla umisťovali vzorky směsi plynů imitující svým složením dech zdravého člověka a pacienta s určitým typem rakoviny plic. U dvaceti včel tak zmapovali příslušné vzorce neurologické aktivity odpovídající těmto vzorkům. Experimenty pak pokračovaly se vzorky plynů ze vzduchotěsných baněk, v nichž vědci pěstovali 3 různé kultury živých buněk: 1/ zdravé plicní buňky, 2/ buňky nemalobuněčného karcinomu (častější, méně agresivní forma rakoviny plic), 3/ buňky malobuněčného karcinomu plic (zřídkavá, ale agresivnější forma - zde).

Podle vedoucího studie a šéfa výzkumné laboratoře, neurovědce indického původu Debajitu Sahy je ze signálů příslušných neuronů zcela zřejmé, že včela každý vzorek rozeznává. Odlišné pachy vyvolávají rozpoznatelné vzorce mozkové aktivity, každé vůni tak odpovídá specifický neurální „otisk prstu“. V porovnání s elektronickými detektory, takzvanými „e-nosy“ sloužícími k identifikaci plynných chemických látek v prostředí, čichové senzory živé včely jsou mnohem citlivější a rozlišují i mezi navzájem velmi podobnými pachy. Dokážou odlišit nepatrné rozdíly v chemických koncentracích jednotlivých plynů ve směsi, a to až na úrovni několika částic na miliardu. Tato schopnost se odráží v rozeznatelně odlišných neurálních odezvách na působení plynů tvořených nemalobuněčným a malobuněčným karcinomem.

Průřez mozkem včely medonosné s připojeným senzorem. Kredit: Saha lab, Michigan State University

Vědci Michiganské státní univerzity neuronovou aktivitu drobného hmyzího mozku nejen mapují, ale pro účely tohoto výzkumu vyvíjejí speciální flexibilní mikroelektrodové senzory (zde). I díky tomu mohou členové Sahova týmu provádět řadu testů citlivosti hmyzího čichu na různorodé chemické látky. A tak s překvapením zjistili, že včely dokážou cítit i stopové koncentrace perfluorovaných a polyfluorovaných látek označovaných zkratkou PFAS. Jde o materiály perzistentní, tedy odolné vůči rozkladu. Jejich mikročástice, které se v živých organizmech akumulují, se vyskytují téměř všude, i v takzvaných ekologických obalech na potraviny (více zde).

„To mi vyrazilo dech," říká o tomto poznatku Debajit Saha a pro vysvětlení dodává: " V životním prostředí jsou PFAS velmi, velmi těžko detekovatelné" (zdroj).

Jak bývá dobrým, k dalším grantům směřujícím zvykem, i Michiganští vědci vyjadřují přesvědčení, že jejich výzkum dojde k praktickému využití. Stěží by ale mohlo jít o předběžnou diagnostiku rakoviny plic pomocí živých včel napojených na mikroelektrody v mozku. I když teoreticky každá z nich umožní v průběhu krátkého času rychle otestovat desítky vzorků dechu kontrolovaných lidí a výsledky poskytnout okamžitě, takový monitoring by si vyžádal velmi specificky vybavené pracoviště.

Funkce mozku v držáku upevněné včely se v průběhu několika málo hodin začnou zhoršovat a výsledky přestanou být spolehlivé. Stačí si představit, jakou procedurou musí projít další vhodná podchlazená včela, aby mohla sloužit jako detektor a jak speciálně vyškolený personál si taková metoda vyžaduje, a jeden hned pochopí, že takové testování je nadmíru neefektivní až nerealizovatelné. Snad se tedy výzkumníkům podaří získaných poznatků zužitkovat při vývoji umělých detektorů. Pak by například moderní spirometr při běžné kontrole mohl kromě parametrů vitálních funkcí plic odhalit i případné nádorové onemocnění, či přítomnost škodlivých chemikálií v plicích. Nicméně bez ohledu na vývoj takových citlivých detektorů podle vzoru včela, výzkum michiganských vědců znovu potvrzuje, jakými schopnostmi mohou vládnout i zcela běžní drobní tvorečkové kolem nás.

Video: Podle vědců z Michigan State University dokážou včely medonosné svými čichovými senzory odhalit v dechu člověka biomarkery rakoviny plic.

Literatura

MSUtoday, ScienceNews, Biosensors and Bioelectronics