Бачити невидиме: як метелики можуть допомогти вченим виявити рак

На нашій планеті є багато істот, які мають розвиненіші органи чуття, ніж люди. Черепахи можуть відчувати магнітне поле Землі. Креветки-богомоли можуть виявляти поляризоване світло. Слони можуть чути набагато нижчі частоти, ніж люди. Метелики можуть сприймати більш широкий діапазон кольорів, включаючи ультрафіолетове (УФ) світло.

Натхненна вдосконаленою зоровою системою метелика Papilio xuthus, команда дослідників розробила датчик зображення, здатний «бачити» в ультрафіолетовому діапазоні, недоступному для людського ока. У конструкції сенсора використовуються багатошарові фотодіоди та нанокристали перовскіту (PNC), здатні створювати зображення різних довжин хвиль в УФ-діапазоні. Використовуючи спектральні сигнатури біомедичних маркерів, таких як амінокислоти, ця нова технологія візуалізації навіть здатна диференціювати ракові клітини від нормальних клітин із 99% впевненістю.

Це нове дослідження під керівництвом професора електротехніки та комп’ютерної інженерії Університету Іллінойсу Урбана-Шампейн Віктора Груєва та професора біоінженерії Шумінга Ні нещодавно було опубліковано в журналі Science Advances.

Невеликі варіації

«Ми черпали натхнення з візуальної системи метеликів, які здатні сприймати кілька областей в ультрафіолетовому спектрі, і розробили камеру, яка повторює цю функцію», — говорить Груєв. «Ми зробили це, використовуючи нові нанокристали перовскіту в поєднанні з кремнієвою технологією зображення, і ця нова технологія камери може виявляти кілька УФ-областей».

УФ-світло — це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, яка коротша за хвилю видимого світла (але довша за рентгенівське випромінювання). Ми найкраще знайомі з ультрафіолетовим випромінюванням сонця та небезпекою, яку воно становить для здоров’я людини. Ультрафіолетове світло поділяється на три різні області — UVA, UVB та UVC — на основі різних діапазонів довжин хвиль. Оскільки люди не можуть бачити ультрафіолетове світло, складно отримати інформацію про ультрафіолет, особливо розпізнаючи невеликі відмінності між кожним регіоном.

Однак метелики можуть бачити ці невеликі варіації в УФ-спектрі, як люди можуть бачити відтінки синього та зеленого. Груєв зазначає: «Для мене інтригує, як вони можуть бачити ці невеликі варіації. УФ-світло неймовірно важко вловити, воно просто поглинається всіма, і метеликам вдалося це зробити надзвичайно добре».

Гра «Імітація»

Людина має трихроматичний зір із трьома фоторецепторами, де кожен сприйманий колір може бути створений із комбінації червоного, зеленого та синього. Однак метелики мають складні очі з шістьма (або більше) класами фоторецепторів з різною спектральною чутливістю. Зокрема, Papilio xuthus, жовтий азіатський метелик-махаон, має не тільки сині, зелені та червоні, але також фіолетові, ультрафіолетові та широкосмугові рецептори. Крім того, метелики мають флуоресцентні пігменти, які дозволяють їм перетворювати ультрафіолетове світло у видиме світло, яке потім легко сприймається їхніми фоторецепторами. Це дозволяє їм сприймати ширший діапазон кольорів і деталей навколишнього середовища.

Крім збільшення кількості фоторецепторів, метелики також демонструють унікальну багаторівневу структуру своїх фоторецепторів. Щоб відтворити механізм УФ-чутливості метелика Papilio xuthus, команда UIUC імітувала цей процес, поєднавши тонкий шар PNC із багаторівневим масивом кремнієвих фотодіодів.

PNC — це клас напівпровідникових нанокристалів, які демонструють унікальні властивості, подібні до властивостей квантових точок — зміна розміру та складу частинок змінює властивості поглинання та випромінювання матеріалу. За останні кілька років PNC стали цікавим матеріалом для різних датчиків, таких як сонячні елементи та світлодіоди. PNC надзвичайно добре виявляють ультрафіолетові (і навіть нижчі) довжини хвиль, ніж традиційні кремнієві детектори. У новому датчику зображення шар PNC здатний поглинати ультрафіолетові фотони та повторно випромінювати світло у видимому (зеленому) спектрі, який потім виявляється багаторівневими кремнієвими фотодіодами. Обробка цих сигналів дозволяє відображати та ідентифікувати УФ-сигнатури.

Охорона здоров’я і не тільки

Існують різні біомедичні маркери, присутні в ракових тканинах у вищих концентраціях, ніж у здорових тканинах — амінокислоти (будівельні блоки білків), білки та ферменти. При збудженні ультрафіолетовим світлом ці маркери загоряються і флуоресцюють в УФ-випромінюванні та частині видимого спектра в процесі, який називається автофлуоресценцією. «Зображення в ультрафіолетовому діапазоні було обмеженим, і я б сказав, що це стало найбільшою перешкодою для наукового прогресу», — пояснює Ні. «Тепер ми розробили цю технологію, за допомогою якої ми можемо відображати УФ-світло з високою чутливістю, а також можемо розрізняти невеликі відмінності в довжині хвилі».

Оскільки ракові та здорові клітини мають різні концентрації маркерів і, отже, різні спектральні ознаки, два класи клітин можна диференціювати на основі їх флуоресценції в УФ-спектрі. Команда оцінила свій візуалізаційний пристрій на його здатність розрізняти маркери, пов’язані з раком, і виявила, що він здатний розрізняти ракові та здорові клітини з 99% впевненістю.

Груев, Ні та їхня спільна дослідницька група передбачають можливість використовувати цей датчик під час операції. Однією з найбільших проблем є знання того, скільки тканини потрібно видалити, щоб забезпечити чіткі межі, і такий датчик може допомогти полегшити процес прийняття рішення, коли хірург видаляє ракову пухлину.

«Ця нова технологія візуалізації дозволяє нам відрізнити ракові клітини від здорових і відкриває нові та захоплюючі можливості застосування, окрім здоров’я», — говорить Ні. Окрім метеликів, існує багато інших видів, здатних бачити в ультрафіолетовому випромінюванні, і наявність способу виявлення цього світла надасть біологам цікаві можливості дізнатися більше про ці види, наприклад про їхні звички полювання та спаровування. Перенесення датчика під воду також може допомогти краще зрозуміти це середовище. Незважаючи на те, що вода поглинає багато ультрафіолетового випромінювання, його все ще достатньо, щоб мати вплив, і є багато тварин під водою, які також бачать і використовують ультрафіолетове світло. Джерело