Anna Mateja: Kiedy Pani Profesor wybierała studia na Politechnice Warszawskiej, planowała Pani…

Małgorzata Kujawińska: Zostać dziennikarzem, który pisze o nowych technologiach i mało znanych zjawiskach naukowych. W liceum sprawnie opanowywałam wiedzę i z przedmiotów humanistycz­nych, i ścisłych, więc dziennikarstwo wydawało się dobrym ich połącze­niem. Na dodatek mówiłam biegle po angielsku, bo uczyłam się w liceum ogólnokształcącym z wykładowym angielskim. Za wyborem politechniki stała też przekora – starszy brat studiował fizykę na Uniwersytecie War­szawskim i nie chciałam iść w jego ślady, tylko wybrać własną drogę. Postawiłam na Wydział Mechaniki Precyzyjnej, gdzie poza inżynierią bio­medyczną, metrologią, konstrukcją drobnych urządzeń i automatyką była też optyka, a potem jej nowoczesna wersja – fotonika.

Takie raczej „drobne rzeczy”, powiedziała Pani kiedyś… A jaki miały potencjał, możemy obserwować właśnie teraz, kiedy jadąc pociągiem w senny poranek do Warszawy, ludzie na smartfonach i laptopach załatwiają zdalnie pierwsze sprawy służbowe, pracują nad tabelkami i wykresami, co bardziej zrelaksowani – oglądają film.

Często nie zdając sobie sprawy, jakie rozwiązania w tych urządzeniach wykorzystano. Tymczasem, obok elek­troniki, najważniejsza jest w nich foto­nika – nauka o wykorzystaniu światła do zapisu, przenoszenia, modyfikacji i odtwarzania informacji. Jest ona rów­nież obecna w diagnostyce medycznej, terapii czy chirurgii laserowej oraz w produkcji, gdzie lasery stosuje się do cięcia, wiercenia, znakowania czy zmiany własności powierzchni. Dzi­siaj wykorzystujemy ogromny zakres długości fali światła: od ultrafioletu do bardzo dalekiej podczerwieni, tzw. teraherców, kiedy długość fali sięga od 200 nanometrów do 1 milimetra. (Dla porównania: światło widoczne ludzkim okiem jest niewielkim wycin­kiem tego zakresu, bo obejmuje dłu­gość fal od 380 do 760 nanometrów). W 1971 r., kiedy zostałam studentką, taka skala zastosowań światła była trudna do wyobrażenia. Moją uwagę skupiały wówczas lasery, wymyślone zaledwie 10 lat wcześniej.

 

W Polsce była w ogóle możliwa praca nad urządzeniem, które wykorzystuje zjawisko wymuszonej emisji wiązki światła?

Jak najbardziej, więc nie oglądaliśmy wiązki laserowej ani urządzeń zdol­nych do jej emisji wyłącznie na ilu­stracjach w podręcznikach. Zespół naukowy z Politechniki Warszaw­skiej konkurował z badaczami z Woj­skowej Akademii Technicznej, bo obu uczelniom zależało na pierwszeństwie w skonstruowaniu pierwszego pol­skiego lasera. Efekty prac wykorzystały Polskie Zakłady Optyczne, urucha­miając produkcję dużej gamy laserów. Powstały też pierwsze firmy budu­jące laserowe urządzenia medyczne. Nasz wydział kształcił kadry optyków­-konstruktorów aparatury optycznej i fachowców, którzy pracowali nad rozwojem i zastosowaniami metod optycznych, wykorzystujących światło konwencjonalne i laserowe.

Byłam na drugim roku studiów, kiedy prof. Romuald Jóźwicki rozpoczął wykłady z nowego działu optyki, jakim była wówczas holografia.

Czyli technika rejestracji i uzyskiwania obrazów trójwymiarowych metodą rekonstrukcji fal świetlnych.

Przyszłam posłuchać z ciekawości, tymczasem holografia zafascynowała mnie tak bardzo, że podczas wykładów prof. Jóźwickiego doszłam do wniosku, że jednak nie zostanę dziennikarką. Bo nauka i technika są na tyle ciekawe, że warto nie tylko o nich pisać, ale samemu je tworzyć.

Co jest w nauce tak pasjonującego?

Odpowiem na przykładzie holografii, która wymaga od naukowców przede wszystkim otwartości. I to w różnych znaczeniach tego słowa.

Bo to jest tak: najpierw musimy być dobrzy w swojej „działce”. Z czasem ambitni, zdolni i pracowici stają się rozpoznawalnymi w kraju i na świecie ekspertami, ale to dopiero początek drogi…

Na każdej konferencji naukowej staram się słu­chać większości referatów, nie tylko tych związanych z moją dziedziną czy aktualnie realizowanym tematem, bo one mogą mnie zainspirować. Albo doprowadzić do nawiązania współ­pracy z nieznanym mi zespołem badawczym. To jest właśnie otwartość, o której przed momentem mówiłam.

Ponadto powinniśmy pielę­gnować w sobie te cechy charakteru, które pozwalają angażować się na rzecz naszego środowiska. Ale też zachować wrażliwe ucho na potrzeby społeczne, które, dzięki naszym osią­gnięciom, potrafimy zaspokoić. No i na koniec to, co chyba najważniejsze: choć każdy z naukowców ma różne cele, zawsze konieczne jest zacho­wanie młodzieńczego zapału. Można nad jakimś problemem pracować nawet kilka dekad, ale kolejne docie­kania powinny, budząc ciekawość, na swój sposób bawić. To pozwala patrzeć szeroko – widzieć swój temat i dzie­dzinę w kontekście innych zagadnień badawczych – i budować liczącą się w świecie naukę.

Holografia w czasach kiedy Panią zafascynowała, była zupełnie inna od jej obecnej postaci.

Ale wciąż intryguje mnie równie mocno jak wówczas, gdy na drugim roku studiów, wybierając specjalizację, zdecydowałam się zająć optyką, dzięki czemu holografia została ze mną na całe życie. Jej dotyczyły prace, za które otrzymywałam kolejne stopnie naukowe, i najważniejsze publikacje. Tyle że teraz moje projekty badawcze bazują na holografii cyfrowej. Techno­logia holograficzna zmieniła się z tra­dycyjnej, która korzystała, podobnie jak dawne aparaty fotograficzne, z materiałów fotograficznych (tylko o znacznie większej zdolności roz­dzielczej), na cyfrową mniej więcej 15 lat temu. Ale np. problem pamięci holograficznej, którym zajęłam się w pracy magisterskiej, obronionej przecież w 1976 r., stał się w pełni aktu­alny dopiero teraz, kiedy wymagania dotyczące magazynowania danych zaczęły przekraczać możliwości pamięci supermagnetycznych. Pamięć holograficzna umożliwia bowiem zapisywanie danych całymi stronami informacji i obrazami, zamiast poje­dynczymi bitami. Dodatkowo dane można upakować w całej objętości materiału holograficznego.

W latach 70., kiedy powstawała holografia, naukowcy wyobrażali sobie, że stanie się ona prędko pod­stawą holograficznego kina i telewizji, wówczas w wersji analogowej. Plany ambitne, ale nie wyszły poza próby laboratoryjne. Rozwój holografii cyfrowej oraz komputerowej, a także dynamiczny przyrost rozdzielczości detektorów matrycowych i cyfrowych modulatorów światła przybliżył nas do realizacji tego marzenia w wersji cyfrowej. Czyli dostosowanej do poziomu, na jakim znajdują się telekomunikacja i multimedialne urzą­dzenia cyfrowe.

Przy okazji sprostowanie: medialne doniesienia, np. o holograficznym koncercie Abby, nie mają nic wspól­nego z technologią, o której mówię. To płaski obraz lub ich zestaw, który daje złudzenie pewnej trójwymiarowości. Holografia cyfrowa generuje natomiast taki sam front świetlny, jaki dawałby rzeczywisty obiekt trójwymiarowy. I przypuszczam, biorąc pod uwagę skalę prowadzonych prac, że cyfrowa telewizja holograficzna znajdzie zasto­sowanie komercyjne już za kilka lat. Dzisiaj natomiast holografia cyfrowa zmienia radykalnie mikroskopię optyczną, znaną od ponad 150 lat.

Od czasów Carla Zeissa, utalentowanego rzemieślnika, który skonstruował pierwszy mikroskop, i Ernesta Abbego, fizyka z uniwersytetu w Jenie, który dostarczył mu konkretnych informacji, jak można to urządzenie udoskonalić.

Obecnie przechodzimy na mikroskopię cyfrową, rejestrującą cyfrowo obraz mikroobiektu pochłaniającego światło i przez algorytmy przetwarzania obrazu wizualizującą te jego cechy, które inte­resują badacza. Mój zespół pracuje natomiast nad udoskonaleniem mikro­skopów holograficznych, które pozwa­lają poznać i zapisać pełną informację o obiekcie za sprawą rejestracji holo­gramów w układzie mikroskopowym. Możemy poznać amplitudę, czyli ilość światła przechodzącego przez dany punkt, i jego fazę – czas opóź­nienia światła. Uzyskana dzięki temu informacja ilościowa o obiekcie biolo­gicznym (np. o komórkach rakowych) lub technicznym (np. o elementach światłowodowych) może być wykorzy­stywana we wstępnej diagnostyce lub w kontroli jakości mikroobiektu. By to w ogóle było możliwe, trzeba te struk­tury poznać, czyli zmierzyć ich para­metry w całej objętości, czemu służą techniki tomograficzne.

Urządzeniem, które to umożliwia, jest tomograficzny mikroskop fazowy, który w konkursie TEAM-TECH, ogłoszonym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, otrzymał 3,4 mln zł dofinansowania na „opracowanie, przetestowanie i przygotowanie do komercjalizacji”.

Tak właśnie. By przybliżyć nasze zamie­rzenia, skupię się na jednym z zasto­sowań, tzn. wykorzystaniu tomografu holograficznego do badań histopato­logicznych, które mają ogromne zna­czenie w rozpoznawaniu chorób nowo­tworowych, wielu schorzeń zapalnych i zwyrodnieniowych oraz w monitoro­waniu leczenia. Obecnie wygląda to tak: histolog pobiera wycinek tkanki, który następnie jest utrwalany, utwar­dzony, krojony na skrawki o kilkumi­krometrowej grubości, barwiony, by ostatecznie znaleźć się pod mikro­skopem. Proces trwa nawet dobę, zależnie od tego, co histolodzy chcą zobaczyć. W trakcie operacji chirur­gicznych stosuje się procedurę uprosz­czoną, pracując na wycinkach mrożo­nych i barwionych, ale, jak mi to powie­dział pewien histopatolog – badanie tak przygotowanej tkanki przypomina badanie żaby rozjechanej przez samo­chód. Mrożenie rozrywa bowiem część komórek. A jeszcze trzeba wziąć pod uwagę, że w próbce o grubości mili­metra komórki nowotworowe, jeśli badanie ma zweryfikować ich obec­ność, mogą być rozmieszczone na różnej głębokości, co wymaga przygo­towania i analizy obrazu wielu próbek z tego samego wycinka. Wykorzystanie tomografu holograficznego, mam nadzieję, pozwoli analizę wycinków tkanki przyspieszyć.

Choćby dlatego że zamiast wielokrotnych pomiarów wystarczyłby jeden. Domyślam się, że analiza objętościowa bazuje na trójwymiarowym obrazie wnętrza tkanki?

To jest taka różnica jak między zdję­ciem rentgenowskim a informacją uzyskiwaną przez tomograf rentge­nowski. Pierwsze badanie daje nam obraz nałożonych na siebie struktur ciała i kości, więc interpretacja wyniku jest trudna. Podczas badania tomogra­ficznego uzyskujemy trójwymiarową wizualizację struktur, które w różny sposób pochłaniają promieniowanie. Powstały cyfrowy zbiór informacji pozwala się przeogniskowywać na kolejne warstwy badanej struktury i oglądać dokładnie utrwalone na obrazie detale.

Jednym z zadań wspomnianego projektu, finansowanego przez Fun­dację na rzecz Nauki Polskiej, jest budowa przyrządu i opracowanie pełnej analizy danych, które realizować będą tomograficzne badania komórek i tkanek: ich morfologię, wzrost, zmiany. A być może także badanie kolonii bak­terii dla ich identyfikacji. I jeszcze jest farmakologia, w której mikroskopia tomograficzna też bardzo się może przydać. Oddziałując na komórki substancjami chemicznymi – zależnie od zapotrzebowania: albo dla ich regeneracji, albo dla ich zniszczenia – wygodnie byłoby monitorować i mie­rzyć na trójwymiarowym obrazie, jak one oddziałują na komórki konkret­nego pacjenta. Nasz mikroskop dawałby taką możliwość. Nie mówię, że tomografia holograficzna odpowie na wszystkie pytania lekarza, ale dodanie mu narzędzia ilościowej analizy prze­zroczystych struktur, bez konieczności ich barwienia i modyfikacji, może sporo zmienić.

I maszyna zastąpi histopatologa „szkiełko i oko”?

Niekoniecznie i nie teraz, przed nami jeszcze długa droga. Nie potra­fimy na razie zapisać w postaci algo­rytmu każdej zmiany, jaka może się w komórce lub tkance pojawić. Trzeba najpierw znaleźć korelację między dotychczasowymi diagnozami eks­pertów bazujących na tradycyjnie barwionych próbkach a wynikami uzy­skiwanymi w naszym urządzeniu. Na podstawie tych przypadków musimy stworzyć, i ciągle poszerzać, zbiór algo­rytmów rozpoznających przypadki „podejrzane”. A im biblioteka będzie zasobniejsza, tym nasze zaufanie wobec automatycznych procedur rozpoznawania powinno być większe.

To jest moja wizja działania na wiele lat. Na razie jesteśmy na etapie angażowania lekarzy z Warszaw­skiego Uniwersytetu Medycznego i Centrum Zdrowia Dziecka w Mię­dzylesiu, by się dowiedzieć, jakiego rodzaju ekspertyz – i narzędzi do ich uzyskiwania – potrzebują. Ale też: czy badania ilościowe, wykony­wane przez tomograf holograficzny, mogą być potwierdzone przez eksper­tyzy najlepszego histopatologa? Czy maszyna może zmniejszyć czas ocze­kiwania na wyniki? Bo, wracając do pytania, czy może ona zastąpić czło­wieka w ocenie wyników, w sytuacji lawinowego przyrostu próbek histo­patologicznych, choćby z racji coraz bardziej powszechnej profilaktyki, bra­kuje fachowców do ich oceny.

Bo to żmudna, niewdzięczna praca. I w cieniu. Problem jest na tyle poważny, że wcale nierzadko w lokalnych szpita­lach badań histopatologicznych już się nie przeprowadza, ale przesyła próbki tkanek do większych placówek. Namysł, jak ułatwić pracę tych fachowców, staje się…