Kvantefysikk kan være nøkkelen til å oppdage kreft tidlig

Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Bergen - les mer.

Se for deg en blodprøve som kan fungere som dashbordet i en bil, og varsler deg før kreft utvikler seg. Forskere i Bergen bruker nå kvantefysikk og diamanter for å få dette til.

Fysikerne Justas Zalieckas, Martin Greve Møller og Konrad Tywoniuk ved diamantlaben på UiB Realfaghøyden. (Foto: Amanda Schei)

Når du kjører bil, vil varsellamper på dashbordet fortelle deg om noe er galt. Men våre egne kropper har ikke noe tilsvarende. Feber eller smerte kan bety mange ting. 

– Vi har ikke noen god måte å vite om kreft på et veldig tidlig stadium er i ferd med å utvikle seg. Vi ønsker å få på plass disse manglende indikatorene.

Det sier fysiker Justas Zalieckas ved Universitetet i Bergen (UiB).

Hvorfor tidlig oppdagelse er avgjørende

Rundt 11.000 mennesker dør av kreft hvert år i Norge. Det gjør kreft til den vanligste dødsårsaken i landet.

Hvis kreften kan oppdages før symptomer oppstår – altså på et veldig tidlig stadium – vil behandlingene kunne virke mye bedre.

Men for å kunne oppdage kreft så tidlig, trenger vi verktøy som kan fange opp ekstremt små mengder biologiske molekyler, såkalte biomarkører, i blodet.

Kvantefysikere ved UiB mener deres metoder kan være en del av løsningen.

Laboratoriet som brukes. Det tok flere år å bygge kvantediamantmikroskopet. (Foto: Amanda Schei)

Den andre kvanterevolusjonen møter kreftbiologi

For rundt hundre år siden, i 1925, introduserte Werner Heisenberg kvantemekanikken. 

Det markerte starten på den første kvanterevolusjonen, som senere førte til utviklingen av blant annet lasere, transistorer og MR-maskiner. Den er grunnmuren i mye av dagens teknologi.

I dag snakker forskere om den andre kvanterevolusjonen. Der blir kvantetilstander ikke bare observert, men også aktivt manipulert for beregning, kommunikasjon og sensorteknologi.

En studie ledet av forskere ved Universitetet i Bergen, i samarbeid med kolleger fra andre institusjoner, er en del av dette skiftet.

Forskerne bruker bittesmå defekter inne i diamanter, såkalte NV-sentre, for å oppdage biologiske molekyler som ellers er ekstremt vanskelige å måle. 

Vi kan tenke på NV-sentre som små kvanteører inne i en diamant, som lytter etter svake signaler fra molekyler.

MikroRNA: små molekyler med stort diagnostisk potensial

MikroRNAer er svært korte RNA-molekyler som bidrar til å regulere genaktivitet. Når sykdommer som kreft utvikler seg, blir nivåene av enkelte mikroRNAer unormale. 

Små mengder av disse molekylene lekker ut i blodet, noe som gjør dem til lovende biomarkører.

– Men konsentrasjonene er ekstremt lave. Det kan påvises i laboratoriet, men dette er altfor arbeidskrevende og kostbart for storskala, rutinemessig screening. Vi trenger en annen type teknologi, sier Justas Zalieckas.

NV-sentre er ekstremt følsomme for magnetisk støy, og det er nettopp dette som er nøkkelen. Derfor kom forskerne på at det gikk an å bruke defekter i diamanter som kvantesensorer.

Ved å klargjøre NV-sentrene med laserlys, manipulere dem med mikrobølger og lese av kvantetilstander, kan forskergruppen utlede hva som skjer direkte på diamantens overflate.

Bygde et nytt mikroskop

For å undersøke om metoden faktisk fungerer, kombinerte forskerne laboratorieforsøk med datasimuleringer.

– Vi bygde et kvantediamantmikroskop og viste at NV-sentre kan fange opp magnetisk støy som oppstår når mikroRNAer samhandler med ioner. Våre molekylsimuleringer bekreftet det vi målte. Det ga oss full tillit til at effekten er reell, forklarer Zalieckas.

Metoden åpner også for såkalt multipleksing, det vil si at mange ulike mikroRNAer kan oppdages samtidig.

– Det er viktig. Det finnes tusenvis av mikroRNAer. Jo flere du kan registrere samtidig, desto mer presis kan diagnostikken bli, sier han.

Med søkelys på bukspyttkjertelkreft

Zalieckas og kollega Martin Møller Greve retter nå blikket mot en av de mest dødelige kreftformene: bukspyttkjertelkreft.

– Studier viser at et panel på rundt 30 ulike mikroRNAer kan brukes til å oppdage denne kreftformen tidlig og med høy treffsikkerhet, sier Zalieckas.

Forskerne ønsker å utvikle en teknologi som kan gjøre denne typen screening tilgjengelig for alle. Men dette vil ta tid. 

– Det vil nok være år med utvikling og regulatorisk godkjenning før noen kan ta det i bruk,  sier Zalieckas.

En lang vei med prøving og feiling

Det tok flere år å bygge kvantediamantmikroskopet og teste metoden.

– I begynnelsen er det ingenting som fungerer. Du justerer, finjusterer og prøver igjen. Man må venne seg til å mislykkes hver dag. Det er en del av prosessen. Men hvert mislykkede forsøk lærer deg noe, sier forskeren.

Neste steg er å demonstrere påvisning av flere typer mikroRNAer samtidig, særlig dem som er knyttet til bukspyttkjertelkreft. 

Lykkes forskerne med dette, håper de på sikt å kunne bevege seg mot kommersielle anvendelser.

– Kvantefenomener er grunnleggende merkelige. De oppfører seg ikke som noe vi kjenner fra hverdagen. At vi likevel kan bruke dem til vår fordel, er bemerkelsesverdig, sier Zalieckas.

Referanse:

Justas Zalieckas, Martin M. Greve mfl.: Quantum sensing of microRNAs with nitrogen-vacancy centers in diamond. Communications Chemistry, 2024. Doi.org/10.1038/s42004-024-01182-7