Strategiczne kierunki rozwoju UE. Fotonika w technologiach ochrony zdrowia

Ciałem doradczym Komisji Europejskiej w zakresie technologii fotonicznych jest Partnerstwo Photonics21 (European Partnership for Photonics). To tu rodzą się koncepcje dotyczące kierunków rozwoju technologii fotonicznych, wspierane później w programach unijnych, takich jak Horyzont Europa. Partnerstwo Photonics21 (Photonics21 European Technology Platform) zrzesza obecnie ponad 4000 członków (w tym ponad 100 z Polski), reprezentujących środowisko fotoniczne w  Europie. Uczestnictwo w Partnerstwie Photonics21 jest bezpłatne.

W artykule chciałbym zwrócić uwagę na wypracowany przez szerokie grono ekspertów Photonics21 i opublikowany w pierwszej połowie 2023 r. dokument strategiczny, opisujący główne kierunki rozwoju fotoniki w perspektywie wieloletniej, tzw. Multi-annual Strategic Research and Innovation Agenda of the Horizon Europe Photonics Partnership, 2023 (SRIA). Dokument ten określa m.in. stworzone przez Grupę Roboczą ds. Zdrowia (Work Group Health/WG Health) kierunki rozwoju fotoniki w obszarze technologii medycznych, co jest głównym tematem tego artykułu. Do prac WG Health można dołączyć i mieć bezpośredni wpływ na wyznaczane kierunki, o czym piszę w części końcowej.

Główne wyzwania, rynek i mapa drogowa rozwoju fotoniki w obszarze zdrowia

W zakresie ochrony zdrowia, wspomniany wcześniej dokument odnosi się do takich wyzwań socjoekonomicznych, jak:

• starzejąca się populacja Europy (do 2045 r. liczba osób powyżej 65. roku życia w stosunku do liczby pracujących podwoi się),
• choroby związane z wiekiem (np. cukrzyca, nowotwory, demencja, choroby sercowo-naczyniowe itp.),
• wysokie koszty opieki zdrowotnej (obecnie blisko 10 % PKB),
• potrzeba osiągnięcia autonomii strategicznej również w zakresie technologii fotonicznych i medycznych.

W praktyce w SRIA dużo uwagi poświęcono rozwiązaniom celowanym w choroby nowotworowe.

Obszar aplikacyjny zdrowia jest dla fotoniki największym z obszarów, jeśli chodzi o wielkość rynku. W szerokiej perspektywie główne typy rozwiązań fotonicznych w medycynie obejmują: systemy AR/VR, biosensory fotoniczne, systemy laserowe (np. okulistyczne, dermatologiczne), mikroskopia, instrumenty analityczne (np. cytometry, sekwencery), inne systemy obrazowania medycznego (np. OCT, fotoakustyka), endoskopia oraz rentgenowskie obrazowanie medyczne. Całkowita wartość globalnego rynku wymienionych rozwiązań jest szacowana na około 55 mld dolarów w 2023 r. i prognozowane około 73 mld dolarów w 2027 r. (wzrost o około 1/3).

Grupa Robocza ds. Zdrowia przedstawiła w SRIA tzw. Roadmapę rozwoju na lata 2025–2030, zgodnie z którą w najbliższych latach (2025–2027) głównym wyzwaniem będzie:

• w zakresie wyzwań badawczych (TRL do 5) – zaawansowane zrozumienie procesów komórkowych i funkcji narządów w oparciu o nowe technologie obrazowania i wykrywania (z i bez etykiet),
• w zakresie wyzwań innowacyjnych (TRL od 5) – zaawansowane leczenie oparte na fotonice oraz systemy i metody monitorowania.

W kolejnych latach (2028–2030) przewidziano:

• w zakresie wyzwań badawczych (TRL do 5) – miniaturyzację technik obrazujących i czujników; łączenie zakresów, liczenie fotonów, sensory obrazujące dla oceny biologicznej w czasie rzeczywistym,
• w zakresie wyzwań innowacyjnych (TRL od 5) – zaawansowane obrazowanie i systemy POC (Point-of-Care) nowej generacji.

Biorąc pod uwagę, że wspólne opracowania są efektem kompromisów i poszukując odpowiedzi, jakiego rodzaju rozwiązania mogą kryć się za tak ujętymi wyzwaniami, przedstawiam poniżej wynik mojej analizy dokumentu SRIA w zakresie Health. Opisuję też najistotniejsze obszary technologiczne, które prawdopodobnie będziemy mogli odnaleźć w niedalekiej przyszłości w tematach opracowań dotyczących projektów Horizon Europe w ramach Photonics21, ale też innych inicjatyw finansujących rozwój technologii medycznych w UE. Zagadnienia przedstawiam zgodnie z biegiem „podróży” pacjenta, zaczynającej się od jego dobrostanu (zapobieganie chorobom), przez stan przed-ostry, ostry i ustąpienie stanu ostrego, aż do powrotu do opieki domowej bądź dobrostanu.

Zaawansowane zrozumienie procesów komórkowych i funkcji narządów

Jedną z istotnych ról dla fotoniki, dotyczącą pacjenta na każdym etapie jego „podróży” będzie umożliwienie zapobiegania chorobom, wczesna ocena ryzyka albo przynajmniej diagnostyka chorób na wczesnym etapie, co zwiększy prawdopodobieństwo skutecznego leczenia i umożliwi wdrażanie rozwiązań 4P Medicine (Predictive, Preventive, Personalized and Participatory).

Zaawansowane narzędzia fotoniczne mogą umożliwić:

• zrozumienie podstawowych mechanizmów chorób, które dotykają miliony osób, takich jak choroby neurodegeneracyjne,
• wczesne wykrywanie nowotworów i przed-nowotworowych zmian patologicznych,
• zrozumienie w jaki sposób główne globalne patogeny powodują infekcje na poziomie molekularnym, komórkowym, tkankowym czy organizmu,
• badanie i monitoring wpływu stylu życia i odżywiania na funkcje i skład tkanek.

W powyższym zakresie dokument wspomina np. o mikroskopii o wyższej rozdzielczości, wyższej częstotliwości czy o nowych informacyjnych parametrach odczytu spektroskopowego.

Dla rozwoju wymagane jest też zlikwidowanie luk, np. dogłębne zrozumienie optyki tkankowej dla wykrywania biomarkerów oraz prowadzenie symulacji dla efektywnego przewidywania odpowiedzi, kalibracji urządzeń oraz optymalizacji efektów wykorzystanych środków leczniczych.

Główna rola fotoniki zgodnie z omawianym dokumentem to właśnie umożliwienie zaawansowanego zrozumienia procesów komórkowych i funkcji organów, co powinno zapewnić możliwość wpływania na choroby na każdym z etapów, a docelowo zapobiegania im.

Obrazowanie, rozdzielczość, zapobieganie i endoskopia

W kontekście przewidywania chorób stwierdzono, że wciąż brak odpowiednich sond i biomarkerów dla nowotworów i takich schorzeń, jak choroby układu krążenia, choroby neurodegeneracyjne czy choroby wątroby. W zakresie medycyny spersonalizowanej wspomina się o konieczności rozwoju badań w zakresie bioinformatyki oraz specyficznych dla chorób procesów metabolicznych.

Wśród wyzwań na etapie przed stanem ostrym i wystąpienia stanu ostrego dokument wymienia takie wyzwania, jak zwiększenie dokładności diagnostycznej dla zmniejszenia odsetka fałszywych (pozytywnych i negatywnych) diagnoz. Przykładowym wyzwaniem jest obrazowanie optyczne organów trudno dostępnych, takich jak wątroba, mózg czy trzustka technikami o możliwie małej inwazyjności. Osiągnięcie rozdzielczości na poziomie komórkowym może pomóc w wykrywaniu i leczeniu np. takich chorób, jak nowotwór trzustki. Alternatywnie obrazowanie próbek komórkowych i tkankowych pobranych technikami minimalnie inwazyjnymi (np. aspiracja cienkoigłowa lub w połączeniu z endoskopią) może stanowić podejście dokładne i obarczone niskim ryzykiem.

Obecnie intensywnie rozwijane są techniki spektroskopii i obrazowania – fluorescencyjne, ramanowskie czy oparte na podczerwieni, z potencjałem szybkiego wykrywania tkanki nowotworowej. Do tego można dodać techniki obrazowania rentgenowskiego wspierane laserami femtosekundowymi czy obrazowanie kwantowe ze splątanymi fotonami.

Ponadto zaawansowane czujniki gazów wykorzystywane do analizy oddechu, np. wieloczęstotliwościowe czujniki gazowe oparte na źródłach Quantum Light Chip (kwantowy chip świetlny) czy sensory temperaturowe, mogą pozwolić na natychmiastowe zdiagnozowanie takich chorób, jak nowotwory, infekcje, przewlekła obturacyjna choroba płuc, astma itp.

Zwiększona czułość, miniaturyzacja (fotonika zintegrowana / Photonic Integrated Circuits), łączenie różnych zakresów spektralnych (UV-VIS-IR-THz) czy wykorzystywanie kilku technik jednocześnie są obszarami wymagającymi dalszego rozwoju. W dokumencie zasygnalizowano także, że technologie fotoniczne nie tylko umożliwiają nieinwazyjną lub minimalnie inwazyjną diagnostykę personalną, ale pozwalają też skanować środowisko i otoczenie, a także żywność i wodę na obecność zanieczyszczeń i mikroorganizmów. Przykładowo urządzenia do noszenia, np. zegarki, dowodzą swojej skuteczności przy objawach takich, jak migotanie przedsionków. Stosowanie takich rozwiązań w połączeniu z medycznymi bazami danych oraz metodami opartymi na sztucznej inteligencji pozwoli nie tylko sprawdzić stan pacjenta, ale też zapobiegać rozprzestrzenianiu się chorób.

W zakresie monitoringu leczenia, ulepszenie endoskopii – np. endoskopy spektroskopowe wsparte AI – może umożliwić szybszą i wiarygodną diagnostykę nowotworów, wraz z leczeniem ablacją świetlną lub terapią fotodynamiczną. Leczenie endoskopowe może np. zastąpić operacje na otwartej klatce piersiowej i dostarczać informacji zwrotnej w czasie rzeczywistym. Lasery mają potencjał zastąpienia skalpeli i umożliwienia chirurgii robotycznej, wspartej ablacją fototermiczną i fotobiomodulacją. W przypadku obu metod istotne jest dalsze badanie nad dozowaniem dawki optycznej.

W dokumencie zaznaczono również potrzebę opracowania obiektywnych i powtarzalnych rozwiązań w zakresie oceny danych (np. opartych na AI), tak by pracownicy kliniczni mogli zrozumieć na jakiej podstawie AI sugeruje decyzje i w razie potrzeby je odrzucić.

W kolejnym obszarze zastosowań fotonika może wspierać wytwarzanie implantów, wzrost tkanek dla organów zastępczych. Światło może być wykorzystywane dla zastosowań sanitarnych, np. jako narzędzie zapobiegające chorobom.

Współdecydowanie o kierunkach rozwoju w fotonice w zakresie zdrowia

Jak wspomniałem na początku, opracowanie dotyczące kierunków rozwoju fotoniki w obszarze zdrowia było dziełem Grupy Roboczej ds. Zdrowia (Work Group Health) funkcjonującej w ramach Photonics21. Grupa nie zakończyła jednak swojej aktywności na wypracowaniu strategii – jej prace są kontynuowane i ich celem obecnie jest wypracowanie tematów na najbliższe lata.

Grupy robocze Photonics21 nie są gremiami zamkniętymi i uczestnikiem może być każdy członek stowarzyszenia Photonics21. Kluczowe spotkania odbywają się zwykle przy okazji Photonics Partnership Annual Meeting i wedle mojej wiedzy nie było polskiego reprezentanta obecnego w pracach WG Health w trakcie ostatniego spotkania Photonics Partnership Annual Meeting w roku 2023. Jednak nic straconego.

Pod koniec 2023 r. ogłoszono termin i miejsce kolejnego spotkania Photonics Partnership Annual Meeting 2024. Odbędzie się ono 14 i 15 maja w Brukseli. Zapraszamy serdecznie do uczestnictwa tych z Państwa, którzy są zainteresowani udziałem w wypracowywaniu tematów w zakresie fotonicznych technologii medycznych oraz uczestnictwem w projektach Horizon Europe. Wsparciem w tym zakresie służy Branżowy Punkt Kontaktowy Przemysł 4.0.

Zasada działania BPK Przemysł 4.0

Branżowy Punkt Kontaktowy Przemysł 4.0 wspiera przedsiębiorców i naukowców w ubieganiu się o unijne środki na badania i innowacje w ramach programu ramowego Horyzont Europa. Zajmuje się także promocją partnerstw europejskich. W ramach swojej działalności organizuje i bierze udział w ogólnokrajowych wydarzeniach matchmakingowych, networkingowych i brokerskich, które skierowane są do krajowych i zagranicznych partnerów naukowych oraz biznesowych. Zapewnia pomoc w wyborze i pozyskiwaniu międzynarodowych partnerów do projektów europejskich, organizuje szkolenia i warsztaty oraz prowadzi indywidualne konsultacje na etapie przygotowania aplikacji.

W razie planowanego wyjazdu na Annual Meeting, będziemy wdzięczni za informację. Dzięki temu będziemy mogli skoordynować polską obecność na wspomnianym wydarzeniu. W razie wszelkich pytań jesteśmy do Państwa dyspozycji: bpkprzemysl@piap.lukasiewicz.gov.pl.

Więcej informacji o Branżowym Punkcie Kontaktowym można znaleźć na stronie www.bpkhoryzont.pl.

źródło: Automatyka 1-2/2024