Danuta Liberda-Matyja, chemiczka z Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, rzuca światło na swoje badania z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego. W wywiadzie z Coopernicus, opowiada o odkryciach w laboratorium, perspektywach ich zastosowania i swoich planach na przyszłość.
Chociaż nie planowała kariery naukowej, Danuta Liberda-Matyja, obecnie pracuje nad innowacyjnymi projektami w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Ze śmiechem przyznaje, że w liceum była średnim uczniem, umiała się oddać tylko tym przedmiotom, które naprawdę ją interesowały. Licencjat z ochrony środowiska ukończyła na Uniwersytecie Jagiellońskim, po którym wróciła na rodzinny Śląsk. Tam, na Uniwersytecie Śląskim, ukończyła magisterkę z analizy danych w chemii (tzw. chemometrii). Gdy szukała pracy po studiach, natrafiła na ofertę Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie. Był to projekt HOMING kierowany przez Dr hab. Tomasza Wróbla poświęcony klasyfikacji histopatologicznej tkanek trzustki, z zastosowaniem uczenia maszynowego. Obecnie, w ramach kolejnych dofinansowań, zajmuje się przyśpieszeniem diagnostyki nowotworowej w tkankach, z użyciem promieniowania w podczerwieni. Temat ten jest również ściśle związany z jej rozprawą doktorską złożoną na Uniwersytecie Jagiellońskim gdzie studiowała na programie Nauki Biomedyczne.
„Standardowo wygląda to tak, że pobierana jest biopsja, która następnie jest barwiona. Później histopatolog ocenia tą tkankę, pod kątem zmian nowotworowych. Ten proces trwa długo, kilka tygodni, a nawet miesiąc. A Światowa Organizacja Zdrowia przewiduje, że liczba zachorowań na nowotwory będzie ciągle wzrastać”
tłumaczy obszar swoich badań Liberda-Matyja
Właśnie dlatego, potrzebne jest wprowadzenie metody, która przyspieszyłaby diagnostykę. Zauważa, że szybsza diagnostyka, oznacza też przyśpieszenie terminu rozpoczęcia leczenia. Odkrycia Liberdy-Matyji to obiecujący krok w tę stronę. Badania te polegają na pobraniu próbki niezabarwionej tkanki, którą oświetla się promieniowaniem podczerwonym pod mikroskopem.
„W zależności od składu biochemicznego część tego promieniowania zostaje selektywnie zaabsorbowana przez próbkę, światło, które nie jest pochłonięte podąża do detektora matrycowego. W naszych badaniach uzyskujemy informacje o próbce w postaci tzw. widm oraz obrazów tkanek”
Pozyskane w ten sposób dane, wykorzystuje się do trenowania modeli uczenia maszynowego. Stosowane są algorytmy takie jak losowy las (tzw. random forest) albo sieci neuronowe. Wynikiem tej metody jest obraz tkanki wybarwionej komputerowo. Na takim obrazie możliwe jest rozróżnienie na przykład tkanki zdrowej od nowotworowej – każda z nich jest zabarwiona na inny kolor. Taki wybarwiony skrawek, w przyszłości, mógłby stanowić ogromne wsparcie dla histopatologów w ocenie trudnych przypadków, przekonuje. Liberda-Matyja dodaje, że rozwijana jest też druga metoda:
To szybki screening, podczas którego komputer rozpoznaje czy pacjent ma nowotwór czy nie. Wprowadzenie tego podejścia do kliniki pozwoliłoby histopatologom skupić się na ocenie przypadków nowotworowych. Oprócz tych badań, bierze też udział w projekcie SONATA Dr hab. Tomasza Wróbla, dotyczącego orientacji makromolekuł w tkankach.
„W przypadku nowotworów, na przykład w tkankach piersi, włókna stanowiące mikrośrodowisko raka organizują się w różny sposób. Organizacja tych włókien może wpływać, na postęp choroby jak i również na przenikanie leku do miejsca chorobowo zmienionego”
Staż za granicą
Jednej z metod, którą wykorzystuje podczas swoich badań, opartej o sieci neuronowe, Liberda-Matyja uczyła się na miesięcznym stażu w Niemczech. Inspiracją do wyjazdu były badania prowadzone w ramach grantu Preludium, który dostała. Jak mówi, celem grantu było zbudowanie modelu detekcji raka piersi, który jest odporny.
„Model zbudowany w oparciu o próbki od kilku pacjentów nie będzie dobrze działał na całej populacji. Pozyskanie dużej liczby próbek od setek bądź też nawet tysięcy pacjentów a następnie zmierzenie ich przy pomocy promieniowania w podczerwieni, to proces czasochłonny, dlatego trudno jest uzyskać materiał do trenowania modelu. W szczególności w przypadku tkanek piersi dodatkowym wyzwaniem jest uzyskanie próbek od pacjentek zdrowych, ze względu na bardzo dobrze rozwiniętą diagnostykę w krokach poprzedzających pobranie biopsji”
To jak żmudny jest to proces pokazują dotychczasowe badania Liberdy-Matyji. Zespołowi badawczemu, w którym pracuje, badanie tkanek trzustki zajęło aż pięć lat. Podczas tego czasu, zmierzyli 600 biopsji, od 250 pacjentów.
„W grancie Preludium moim celem było stworzenie symulowanych próbek – widm tkanek piersi. Widziałam duży potencjał w zastosowaniu sieci neuronowych do tego celu. W Niemczech na Uniwersytecie w Bochum znajduje się grupa bioinformatyczna, która zajmuje się właśnie aplikowaniem sieci neuronowych do klasyfikacji tkanek”
Staż ten był jej pierwszym wyjazdem badawczym za granicę, w celu rozwoju własnego projektu badawczego. Pomimo początkowego stresu, szybko się odnalazła i zdołała przeanalizować wszystkie dane, które przywiozła. Dodaje, że był to bardzo owocny czas. Nie zauważyła też wielkiej różnicy pomiędzy sposobem prowadzenia badań w Niemczech, a w Polsce. Chociaż mówi, że może to być związane ze skalą badań SOLARIS, gdzie pracuje. To jedna z czołowych jednostek badawczych i jedyna taka w Europie Środkowo-Wschodniej.
„Nie można powiedzieć, że pozostajemy w tyle za naszymi sąsiadami. To była wymiana informacji: też przywiozłam coś od siebie, pokazując w jaki sposób analizujemy nasze dane z naciskiem na ich wstępne przetwarzanie.”
Praca w SOLARIS
Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS, to unikatowa jednostka badawcza. Sama hala naukowa robi niesamowite wrażenie:
„Znajduje się na niej ogromny betonowy ring (pierścień akumulacyjny), o obwodzie aż 96 metrów. Wewnątrz niego zlokalizowane jest 12 sekcji ogromnych bloków elektromagnesów, które pozwalają przyspieszyć elektrony w ringu oraz utrzymać ich tor ruchu po orbicie. Gdy tor ruchu elektronów jest zakrzywiony, można pozyskać promieniowanie synchrotronowe”
Doktor Liberda-Matyja dodaje, że takie promieniowanie ma bardzo szeroki zakres, od promieniowania X aż do podczerwieni. W SOLARIS w każdej z 10 sekcji można zbudować infrastrukturę, która pozwala na ekstrakcję promieniowania o innym zakresie energii czy też parametrach, które udostępniane jest na tzw. linie badawcze gdzie wykonywane są pomiary. W chwili obecnej w SOLARIS znajduje się 7 linii badawczych udostępnionych dla użytkowników oraz 3 kolejne, które są w budowie.
„Dzięki temu można badać różne próbki z użyciem tego promieniowania.”
Dla przykładu, linia w podczerwieni CIRI (Chemical Infrared Imaging), na której pracuje Liberda-Matyja, dzięki niedestrukcyjnemu charakterowi promieniowania bada między innymi biomateriały. Ale są też linie, które zajmują się, badaniem materiałów takich jak na przykład panele fotowoltaiczne.
„Co ciekawe synchrotron jest otwarty dla naukowców z całego świata. Ludzie mogą do nas przyjechać i wykonać swoje badania nieodpłatnie, trzeba złożyć tylko odpowiedni wniosek o czas badawczy”
Taka konstrukcja linii badawczej, to duże wyzwanie. Uzyskana wiązka w podczerwieni musi zostać doprowadzona do mikroskopów, na których naukowcy prowadzą badania, mówi Liberda-Matyja. Zauważa, że na świecie istnieje niewiele takich infrastruktur, a badania prowadzone w SOLARIS są prawdziwie inspirujące.
„Życie codzienne liniowców na synchrotronie jest bardzo ciekawe, przyjeżdżają do nas naukowcy z różnymi próbkami. I tak jednego dnia możemy mierzyć, na przykład, pióra papug, a drugiego dzieła sztuki czy kosmetyki. W zasadzie nigdy nie wiadomo jakie wyzwanie badawcze zaskoczy nas kolejnego dnia”
opowiada Liberda-Matyja. Dodaje, że ta codzienna interakcja z czymś nowym, sprawia, że jej praca jest bardzo ciekawa i daje coraz to nowsze wyzwania.
Stypendium od Fundacji na rzecz Nauki Polskiej
Wyzwania naukowe Liberda-Matyja napotykała nie tylko w swojej pracy, ale też podczas doktoratu.
„My jako naukowcy cały czas aplikujemy o stypendia i pieniądze na badania. Człowiek przez lata spotyka się z różnymi niepowodzeniami. Podczas doktoratu przychodzi moment przesilenia, u mnie to było po dwóch latach. Nie zawsze wszystko wychodzi, czasem trzeba zrobić kilka kroków w tył i wykonać coś ponownie.”
Jednak, gdy została laureatką stypendium START, przyznawanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, poczuła, że to co robi zostało docenione przez środowisko badawcze.
„Przyznanie tego stypendium było dla mnie dużą nagrodą. Dało mi też przysłowiowego kopa do działania i takie odbicie od tej szarej codzienności tego z czym zmagałam się w codziennej pracy.”
Stypendium START to też zasób, który bardzo docenia i planuje wykorzystać go na wyjazdy za granice czy post-doca.
Perspektywy na przyszłość
Obecnie, Liberda-Matyja i zespół, w którym pracuje, zbliża się do zakończenia konstrukcji całej linii badawczej CIRI w SOLARIS. Będzie to zwieńczenie czteroletniego projektu. Tego lata planowana jest instalacja linii badawczej, a na jesień otwarcie powstałej infrastruktury z dostępem dla naukowców, zapowiada.
Liberda-Matyja chce też wyjechać na kolejny staż zagraniczny i postdoca. Mówi o chęci zdobywania doświadczenia w innej grupie badawczej i dalszego rozwijania swojej kariery.
„Na synchrotronie jest bardzo dużo możliwości rozwoju, ale to wyzwanie, z którym fajnie jest się zmierzyć” – mówi o wyjazdach za granicę.
Fascynuje ją też rozwój technologiczny, oparty o synchrotron, który często daje unikatowe możliwości pomiarowe.
Warto świadomie budować swoją karierę
Oprócz prowadzenia innowatorskich badań, Liberda-Matyja angażuje się też w szereg inicjatyw, które popularyzują naukę i pomagają innym, którzy są na podobnej ścieżce. Mówi, że pomimo tego, że jest to czasami trudne, gdy prowadzi się badania i bierze się udział w konferencjach, warto się zaangażować. Podkreśla rolę świadomego budowania swojego CV.
„Na przykład, ocena wniosków o finansowanie składanych przez doktorantów, to działanie na rzecz społeczności akademickiej, które pozwala się wiele nauczyć. Jest to też cenne doświadczenie, które możemy uwzględnić w naszym życiorysie”.
Podczas swoich studiów doktoranckich była przedstawicielką doktorantów, a obecnie oprowadza wycieczki na SOLARIS. Biorą w nich udział zarówno studenci jak i uczniowie.
„Jeśli nie ma wydarzenia w które moglibyśmy się zaangażować, możemy się starać wyjść z czymś od siebie, z jakimś pomysłem. Często jest to zauważone i odzew jest pozytywny”
podsumowuje, dodając, że wycieczki dla doktorantów Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych były jej inicjatywą.
Kolejnym przedsięwzięciem, w którym chętnie bierze udział jest coroczna Małopolska Noc Naukowców, gdzie podczas wydarzenia przygotowywane są przeróżne eksperymenty. Liberda-Matyja mówi o inspirującej interakcji z ludźmi, w prawie każdym wieku.
„Widać zaangażowanie, szczególnie dla dzieci to jest coś co zostaje w głowie i może ich zainteresować. A może nawet pociągnąć w stronę nauki.”
Fot. Unsplash
