At se det usete:Hvordan sommerfugle kan hjælpe forskere med at opdage kræft

Der er mange skabninger på vores planet med mere avancerede sanser end mennesker. Skildpadder kan mærke Jordens magnetfelt. Mantis-rejer kan registrere polariseret lys. Elefanter kan høre meget lavere frekvenser, end mennesker kan. Sommerfugle kan opfatte et bredere udvalg af farver, herunder ultraviolet (UV) lys.

Inspireret af Papilio xuthus-sommerfuglens forbedrede visuelle system har et team af forskere udviklet en billedsensor, der er i stand til at "se" ind i UV-området, der er utilgængeligt for menneskelige øjne. Designet af sensoren bruger stablede fotodioder og perovskit nanokrystaller (PNC'er), der er i stand til at afbilde forskellige bølgelængder i UV-området. Ved at bruge de spektrale signaturer fra biomedicinske markører, såsom aminosyrer, er denne nye billedteknologi endda i stand til at differentiere mellem kræftceller og normale celler med 99 % sikkerhed.

Denne nye forskning, ledet af University of Illinois Urbana-Champaign professor i elektrisk og computeringeniør Viktor Gruev og bioingeniørprofessor Shuming Nie, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science Advances .

Små variationer

"Vi har hentet inspiration fra det visuelle system af sommerfugle, som er i stand til at opfatte flere regioner i UV-spektret, og designet et kamera, der gentager denne funktionalitet," siger Gruev. "Vi gjorde dette ved at bruge nye perovskit-nanokrystaller kombineret med siliciumbilledteknologi, og denne nye kamerateknologi kan registrere flere UV-områder."

UV-lys er elektromagnetisk stråling med bølgelængder kortere end synligt lys (men længere end røntgenstråler). Vi er mest bekendt med UV-stråling fra solen og de farer, den udgør for menneskers sundhed. UV-lys er kategoriseret i tre forskellige områder - UVA, UVB og UVC - baseret på forskellige bølgelængdeområder. Fordi mennesker ikke kan se UV-lys, er det en udfordring at fange UV-information, især at skelne mellem de små forskelle mellem hver region.

Sommerfugle kan dog se disse små variationer i UV-spektret, ligesom mennesker kan se nuancer af blå og grøn. Gruev bemærker:"Det er spændende for mig, hvordan de er i stand til at se de små variationer. UV-lys er utroligt svært at fange, det bliver bare absorberet af alt, og sommerfugle har formået at gøre det ekstremt godt."

Imitationsspillet

Mennesker har trikromatisk syn med tre fotoreceptorer, hvor hver farve, der opfattes, kan være lavet af en kombination af rød, grøn og blå. Sommerfugle har dog sammensatte øjne med seks (eller flere) fotoreceptorklasser med forskellige spektrale følsomheder. Især Papilio xuthus, en gul, asiatisk svalehalesommerfugl, har ikke kun blå, grøn og rød, men også violette, ultraviolette og bredbåndsreceptorer. Yderligere har sommerfugle fluorescerende pigmenter, der gør det muligt for dem at omdanne UV-lys til synligt lys, som derefter let kan mærkes af deres fotoreceptorer. Dette giver dem mulighed for at opfatte et bredere udvalg af farver og detaljer i deres omgivelser.

Ud over det øgede antal fotoreceptorer udviser sommerfugle også en unik lagdelt struktur i deres fotoreceptorer. For at replikere UV-sensormekanismen for Papilio xuthus sommerfuglen har UIUC-teamet emuleret processen ved at kombinere et tyndt lag PNC'er med et lagdelt array af siliciumfotodioder.

PNC'er er en klasse af halvledernanokrystaller, der udviser unikke egenskaber svarende til kvanteprikker - ændring af størrelsen og sammensætningen af ​​partiklen ændrer materialets absorptions- og emissionsegenskaber. I de sidste par år er PNC'er dukket op som et interessant materiale til forskellige sanseapplikationer, såsom solceller og LED'er. PNC'er er ekstremt gode til at detektere UV (og endnu lavere) bølgelængder, som traditionelle siliciumdetektorer ikke er. I den nye billedsensor er PNC-laget i stand til at absorbere UV-fotoner og genudsende lys i det synlige (grønne) spektrum, som derefter detekteres af de lagdelte siliciumfotodioder. Behandling af disse signaler giver mulighed for kortlægning og identifikation af UV-signaturer.

Sundhedspleje og videre

Der er forskellige biomedicinske markører til stede i kræftvæv i højere koncentrationer end i sunde væv - aminosyrer (byggesten af ​​proteiner), proteiner og enzymer. Når de exciteres med UV-lys, lyser disse markører op og fluorescerer i UV og en del af det synlige spektrum, i en proces kaldet autofluorescens. "Billeddannelse i UV-regionen har været begrænset, og jeg vil sige, at det har været den største blokering for at gøre videnskabelige fremskridt," forklarer Nie. "Nu er vi kommet frem til denne teknologi, hvor vi kan afbilde UV-lys med høj følsomhed og også kan skelne små bølgelængdeforskelle."

Fordi cancer og raske celler har forskellige koncentrationer af markører og derfor forskellige spektrale signaturer, kan de to klasser af celler differentieres baseret på deres fluorescens i UV-spektret. Holdet evaluerede deres billedbehandlingsenhed på dets evne til at skelne kræftrelaterede markører og fandt ud af, at det er i stand til at skelne mellem kræft og raske celler med 99 % sikkerhed.

Gruev, Nie og deres samarbejdende forskerhold forestiller sig at kunne bruge denne sensor under operationen. En af de største udfordringer er at vide, hvor meget væv der skal fjernes for at sikre klare marginer, og en sådan sensor kan hjælpe med at lette beslutningsprocessen, når en kirurg skal fjerne en kræftsvulst.

"Denne nye billedteknologi gør os i stand til at differentiere kræftceller i forhold til sunde celler og åbner for nye og spændende applikationer ud over kun sundhed," siger Nie. Der er mange andre arter udover sommerfugle, der er i stand til at se i UV, og at have en måde at detektere det lys på vil give interessante muligheder for biologer for at lære mere om disse arter, såsom deres jagt- og parringsvaner. At bringe sensoren under vandet kan også hjælpe med at give en større forståelse af det miljø. Mens meget UV absorberes af vand, er der stadig nok, der kommer igennem til at påvirke, og der er mange dyr under vandet, der også ser og bruger UV-lys.

Flere oplysninger: Cheng Chen et al., Bioinspirerede, vertikalt stablede og perovskite nanokrystal-forstærkede CMOS-billedsensorer til at løse UV-spektrale signaturer, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk3860. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3860

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering