Widzenie niewidzialnego: jak motyle mogą pomóc naukowcom wykryć raka

03 listopada 2023 r. (Wiadomości Nanowerk) Na naszej planecie żyje wiele stworzeń z bardziej rozwiniętymi zmysłami niż ludzie. Żółwie wyczuwają pole magnetyczne Ziemi. Krewetki modliszkowe potrafią wykryć światło spolaryzowane. Słonie słyszą znacznie niższe częstotliwości niż ludzie. Motyle dostrzegają szerszą gamę kolorów, w tym światło ultrafioletowe (UV). Zainspirowany ulepszonym systemem wizualnym papilio xuthus motyla zespół naukowców opracował czujnik obrazowy zdolny „widzieć” w zakresie UV niedostępnym dla ludzkich oczu. Konstrukcja czujnika wykorzystuje ułożone fotodiody i nanokryształy perowskitu (PNC) zdolne do obrazowania różnych długości fal w zakresie UV. Wykorzystując sygnatury widmowe markerów biomedycznych, takich jak aminokwasy, ta nowa technologia obrazowania jest w stanie rozróżnić nawet komórki nowotworowe od komórek prawidłowych z 99% pewnością. Wyniki nowych badań, prowadzonych pod kierunkiem profesora inżynierii elektrycznej i komputerowej Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign Viktora Grueva oraz profesora bioinżynierii Shuminga Nie, opublikowano niedawno w czasopiśmie Postępy nauki („Inspirowane biologią, ułożone pionowo czujniki obrazowe CMOS wzmocnione nanokryształami perowskitu do rozpoznawania sygnatur widmowych UV”). Zarówno Gruev, jak i Nie są filiami Centrum Onkologii w Illinois.

Na wynos

Czujnik wykorzystuje nanokryształy perowskitu i warstwową konstrukcję fotodiody do wychwytywania niuansów w widmie UV w podobny sposób, w jaki motyle dostrzegają subtelne różnice.

Technologia ta może znacząco ulepszyć diagnostykę medyczną poprzez identyfikację komórek nowotworowych z dużą dokładnością na podstawie ich sygnatur widmowych UV.

Nowatorski czujnik może odegrać kluczową rolę podczas zabiegów chirurgicznych, zapewniając całkowite usunięcie tkanek nowotworowych poprzez wykrywanie różnic w autofluorescencji między komórkami zdrowymi i nowotworowymi.

Poza opieką zdrowotną czujnik oferuje nowe możliwości badawcze w biologii, umożliwiając badanie zachowań zwierząt i zrozumienia środowiska poprzez percepcję UV.

Artystyczne przedstawienie motyla nad czujnikiem obrazu inspirowanym biologią. (Zdjęcie: Uniwersytet Illinois)

Badanie

„Inspirowaliśmy się systemem wizualnym motyli, które potrafią dostrzec wiele obszarów widma UV, i zaprojektowaliśmy kamerę, która odtwarza tę funkcjonalność” – mówi Gruev. „Zrobiliśmy to, wykorzystując nowatorskie nanokryształy perowskitu w połączeniu z technologią obrazowania krzemowego, a ta nowa technologia kamer może wykrywać wiele obszarów UV”. Światło UV to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne (ale dłuższej niż promieniowanie rentgenowskie). Najbardziej znamy promieniowanie UV pochodzące ze słońca i zagrożenia, jakie stwarza ono dla zdrowia ludzkiego. Światło UV dzieli się na trzy różne obszary – UVA, UVB i UVC – w oparciu o różne zakresy długości fal. Ponieważ ludzie nie widzą światła UV, przechwytywanie informacji o promieniowaniu UV jest trudne, zwłaszcza dostrzeżenie niewielkich różnic między każdym regionem. Motyle jednak potrafią dostrzec te niewielkie zmiany w widmie UV, tak jak ludzie widzą odcienie błękitu i zieleni. Gruev zauważa: „Intrygujące jest dla mnie, w jaki sposób są w stanie dostrzec te małe różnice. Światło UV jest niezwykle trudne do uchwycenia, po prostu jest pochłaniane przez wszystko, a motylom udało się to zrobić wyjątkowo dobrze.

Gra tajemnic

Ludzie mają wzrok trójchromatyczny z trzema fotoreceptorami, w których każdy postrzegany kolor może powstać z połączenia czerwieni, zieleni i błękitu. Motyle mają jednak złożone oczy z sześcioma (lub więcej) klasami fotoreceptorów o różnych czułościach widmowych. W szczególności papilio xuthus, żółty azjatycki paziowaty motyl, ma nie tylko receptory niebieskie, zielone i czerwone, ale także fiolet, ultrafiolet i szerokopasmowe. Co więcej, motyle mają pigmenty fluorescencyjne, które pozwalają im przekształcać światło UV w światło widzialne, które można następnie łatwo wykryć za pomocą ich fotoreceptorów. Dzięki temu mogą dostrzec szerszą gamę kolorów i szczegółów w swoim otoczeniu. Oprócz zwiększonej liczby fotoreceptorów motyle wykazują również unikalną wielopoziomową strukturę swoich fotoreceptorów. Aby odtworzyć mechanizm wykrywania promieni UV papilio xuthus motyla zespół UIUC naśladował ten proces, łącząc cienką warstwę PNC z warstwowym układem fotodiod krzemowych. PNC to klasa nanokryształów półprzewodnikowych, które wykazują unikalne właściwości podobne do kropek kwantowych — zmiana rozmiaru i składu cząstki zmienia właściwości absorpcyjne i emisyjne materiału. W ciągu ostatnich kilku lat PNC stały się interesującym materiałem do różnych zastosowań w czujnikach, takich jak ogniwa słoneczne i diody LED. PNC są wyjątkowo dobre w wykrywaniu fal UV (a nawet niższych) w przeciwieństwie do tradycyjnych detektorów krzemowych. W nowym czujniku obrazu warstwa PNC jest w stanie absorbować fotony UV i ponownie emitować światło w widmie widzialnym (zielonym), które jest następnie wykrywane przez warstwowe fotodiody krzemowe. Przetwarzanie tych sygnałów pozwala na mapowanie i identyfikację sygnatur UV. Czujnik obrazujący UV w porównaniu z ćwiartką amerykańską w świetle białym (na górze) i w świetle UV (na dole), zielony wygląd przypisany fluorescencji warstwy PNC. (Zdjęcie: Uniwersytet Illinois)

Opieka zdrowotna i nie tylko

W tkankach nowotworowych obecne są różne markery biomedyczne w wyższych stężeniach niż w tkankach zdrowych — aminokwasy (elementy budulcowe białek), białka i enzymy. Po wzbudzeniu światłem UV markery te zapalają się i fluoryzują w promieniu UV i części widma widzialnego w procesie zwanym autofluorescencją. „Obrazowanie w obszarze UV ​​jest ograniczone i powiedziałbym, że stanowiło to największą przeszkodę w postępie naukowym” – wyjaśnia Nie. „Teraz opracowaliśmy tę technologię, dzięki której możemy obrazować światło UV z dużą czułością, a także rozróżniać małe różnice długości fal”. Ponieważ komórki nowotworowe i zdrowe mają różne stężenia markerów, a zatem różne sygnatury widmowe, te dwie klasy komórek można rozróżnić na podstawie ich fluorescencji w widmie UV. Zespół ocenił swoje urządzenie do obrazowania pod kątem jego zdolności do rozróżniania markerów związanych z nowotworem i odkrył, że jest w stanie odróżnić komórki nowotworowe od zdrowych z 99% pewnością. Gruev, Nie i ich wspólny zespół badawczy przewidują możliwość wykorzystania tego czujnika podczas operacji. Jednym z największych wyzwań jest wiedza, ile tkanki należy usunąć, aby zapewnić wyraźne marginesy, a taki czujnik może ułatwić podejmowanie decyzji podczas usuwania guza nowotworowego przez chirurga. „Ta nowa technologia obrazowania umożliwia nam odróżnienie komórek nowotworowych od zdrowych i otwiera nowe, ekscytujące zastosowania wykraczające poza zdrowie” – mówi Nie. Oprócz motyli istnieje wiele innych gatunków, które potrafią widzieć w promieniowaniu UV, a posiadanie sposobu na wykrycie tego światła zapewni biologom interesujące możliwości dowiedzenia się więcej o tych gatunkach, na przykład o ich zwyczajach łowieckich i godowych. Umieszczenie czujnika pod wodą może również pomóc w lepszym zrozumieniu tego środowiska. Choć duża część promieni UV jest pochłaniana przez wodę, wciąż jest ich wystarczająco dużo, aby wywrzeć wpływ, a pod wodą żyje wiele zwierząt, które również widzą i wykorzystują światło UV.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63997.php