Podiranje meja: kako so fiziki prejeli Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino

Fizike je od nekdaj zanimala biološka in medicinska fizika, pri čemer sta si Francis Crick in Maurice Wilkins znano delila 1962 Nobelova nagrada za fiziologijo ali medicino za razjasnitev strukture DNK (skupaj z biologom Jamesom Watsonom).

Toda dva druga velika preboja v medicinski fiziki – uvedba rentgenske računalniške tomografije (CT) in slikanja z magnetno resonanco (MRI) – sta tudi njunima izumiteljema prinesla Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino.

Obravnava teorijo tomografije

Še preden je Wilhelm Roentgen leta 1901 prejel prvo Nobelovo nagrado za fiziko za odkritje rentgenskih žarkov, smo vedeli, da jih je mogoče uporabiti za slikanje notranjosti telesa. Hitro so pripeljali do uvedbe številnih medicinskih aplikacij; vendar je bil razvoj CT skeniranja – pri katerem se rentgenski žarki pošiljajo skozi telo pod različnimi koti, da se ustvarijo slike prereza in 3D –, ki je močno razširil potencial medicinskega rentgenskega slikanja.

To delo je bilo priznano leta 1979, ko je fizik Allan Cormack prejel Nobelovo nagrado za fiziologijo in medicino.za razvoj računalniško podprte tomografije«, čast, ki si jo je delil z inženirjem Godfreyjem Hounsfieldom.

Cormack, rojen v Johannesburgu v Južni Afriki, se je že v zgodnji mladosti navdušil nad astronomijo. Nato je nadaljeval študij elektrotehnike na Univerzi v Cape Townu, vendar je po nekaj letih opustil inženiring in se posvetil fiziki. Po končanem diplomi iz fizike in magisteriju iz kristalografije se je preselil v Združeno kraljestvo, da bi delal kot doktorski študent v laboratoriju Cavendish Univerze v Cambridgeu. Cormack se je vrnil v Cape Town kot predavatelj in po dopustu na univerzi Harvard leta 1957 postal docent za fiziko na univerzi Tufts v ZDA. Nenavadno za Nobelovega nagrajenca, Cormack dejansko nikoli ni doktoriral.

Pri Tuftsu sta se Cormackova glavna ukvarjala z jedrsko fiziko in fiziko delcev. Toda ko je imel čas, se je posvetil svojemu drugemu zanimanju – »problemu CT skeniranja«. Bil je prvi, ki je s teoretičnega vidika analiziral pogoje za prikaz pravilnega radiografskega prereza v biološkem sistemu.

Ko je razvil teoretične podlage rekonstrukcije tomografske slike, je objavil svoje rezultate v letih 1963 in 1964. Cormack je opozoril, da takrat "praktično ni bilo odziva" na te članke, zato je nadaljeval z običajnim potekom raziskovanja in poučevanja. Leta 1971 pa so Hounsfield in njegovi sodelavci izdelali prvi CT skener in zanimanje za CT skeniranje se je povečalo.

Zanimivo je, da sta Cormack in Hounsfield zgradila zelo podobno vrsto naprave brez sodelovanja na različnih koncih sveta. Zahvaljujoč njunim neodvisnim prizadevanjem so CT-pregledi zdaj povsod prisotni v sodobni medicini, uporabljajo pa se za aplikacije, kot je diagnosticiranje in spremljanje bolezni, pa tudi za vodenje testov, kot so biopsije, ali zdravljenja, kot je radioterapija.

Pojav MRI

Naslednjo Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino je prejel fizik leta 2003, ko je bil Peter Mansfield (skupaj z ameriškim kemikom Paulom Lauterburjem) priznan za "odkritja na področju slikanja z magnetno resonanco”, ki je utrla pot sodobnemu MRI. Tehnika zagotavlja jasno in podrobno vizualizacijo notranjih telesnih struktur in se zdaj rutinsko uporablja za medicinsko diagnozo, zdravljenje in spremljanje. Ključno je, da za razliko od rentgenskih pregledov MRI subjekta ne izpostavlja ionizirajočemu sevanju.

Mansfield je prvotno študiral fiziko na kolidžu Queen Mary v Londonu, kjer se je njegova diplomska raziskava osredotočila na izdelavo spektrometra z impulzno jedrsko magnetno resonanco (NMR) za preučevanje trdnih polimernih sistemov. Po doktoratu leta 1962 se je lotil nadaljnjih raziskav NMR na Univerzi Illinois v Urbana–Champaignu, preden se je vrnil v Združeno kraljestvo, da bi prevzel mesto predavača na Univerzi Nottingham (kjer je delal do svoje upokojitve leta 1994).

Mansfieldov doktorat in postdoktorat sta ga privedla do ideje o uporabi NMR za slikanje ljudi (tehnika, ki se je prvotno imenovala slikanje z jedrsko magnetno resonanco, vendar je bila kmalu preimenovana v samo MRI, da bi se izognili zaskrbljujočim pacientom). In prav v času svojega bivanja v Nottinghamu je Mansfield naredil nekaj ključnih prebojev, ki so pripeljali do njegove Nobelove nagrade.

Sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja je Mansfield izdelal prve MR slike živega človeškega subjekta: prsta enega od njegovih študentov raziskovalcev. Njegova ekipa je nadaljevala z razvojem prototipa MRI celega telesa, za katerega se je prostovoljno javil, da bo prvi testiral. Kljub opozorilom kolegov znanstvenikov, da je lahko potencialno nevaren, je bil Mansfield "dokaj prepričan, da ne bo problema".

Kar zadeva Lauterburja, je odkril, da je uvedba gradientov v magnetnem polju omogočila ustvarjanje dvodimenzionalnih slik struktur, ki jih ni bilo mogoče vizualizirati z drugimi tehnikami. Mansfield je nadalje razvil uporabo gradientov in pokazal, kako je mogoče zaznane signale matematično analizirati in pretvoriti v uporabne slike. Pripisujejo mu tudi odkritje, kako drastično skrajšati čas slikanja MRI z uporabo tehnike echo-planarnega slikanja.

Dandanes se po vsem svetu vsako leto opravi na desetine milijonov preiskav z magnetno resonanco, leta 1993 pa je bil Mansfield za svoje zasluge v medicini imenovan za viteza. Obstaja celo pivo (4.2% ABV Sir Peter Mansfield pivo) imenovan njemu v čast.