پروانه‌ها می‌توانند به تشخیص دقیق سرطان کمک کنند

  موجودات زیادی با حواس پیشرفته‌تر از انسان در سیاره ما وجود دارند. لاک‌پشت‌ها می‌توانند میدان مغناطیسی زمین را حس کنند. میگوی آخوندکی می‌تواند نور پُلاریزه‌شده را تشخیص دهد.

فیل‌ها می‌توانند فرکانس‌های بسیار پایین‌تری را نسبت به انسان‌ها بشنوند. پروانه‌ها می‌توانند طیف گسترده‌تری از رنگ‌ها از جمله اشعه فرابنفش را درک کنند.

گروهی از پژوهشگران با الهام از سیستم بینایی پیشرفته پروانه «پاپیلیو شوتوس»(Papilio xuthus)، یک حسگر تصویربرداری ابداع کرده‌اند که قادر به دیدن محدوده فرابنفش غیرقابل دسترس برای چشم انسان است.

در طراحی این حسگر از فتودیودها و نانوبلورهای پروسکایت استفاده شده است که می‌توانند از طول موج‌های گوناگون در محدوده فرابنفش تصویربرداری کنند.

این فناوری جدید تصویربرداری با استفاده از علائم طیفی نشانگرهای زیست‌پزشکی مانند آمینواسیدها، حتی قادر است بین سلول‌های سرطانی و سلول‌های طبیعی با اطمینان ۹۹ درصد تمایز قائل شود.

این پژوهش جدید به سرپرستی «ویکتور گروف»(Viktor Gruev) استاد مهندسی برق و رایانه «دانشگاه ایلینوی اربانا-شمپین»(UIUC) و «شومینگ نی»(Shuming Nie) استاد مهندسی زیستی این دانشگاه انجام شده است.

تغییرات کوچک

گروف گفت: ما از سیستم بینایی پروانه‌ها الهام گرفته‌ایم که قادر به درک کردن چندین ناحیه در طیف فرابنفش هستند و دوربینی طراحی کرده‌ایم که این عملکرد را تقلید می‌کند. ما این کار را با استفاده از نانوبلورهای پروسکایت جدید به همراه فناوری تصویربرداری سیلیکونی انجام دادیم. این فناوری جدید دوربین می‌تواند چندین طیف فرابنفش را تشخیص دهد.

نور فرابنفش، تابش الکترومغناطیسی با طول موج کوتاه‌تر از نور مرئی اما بلندتر از اشعه ایکس است. ما بیشتر با اشعه فرابنفش خورشید و خطراتی که برای سلامتی انسان دارد آشنا هستیم.

اشعه فرابنفش براساس محدوده طول موج‌های گوناگون به سه طیف متفاوت UVA ،UVB و UVC طبقه‌بندی می‌شود. از آنجا که انسان نمی‌تواند نور فرابنفش را ببیند، به دست آوردن اطلاعات در مورد نور فرابنفش، به ویژه تشخیص دادن تفاوت‌های کوچک بین هر طیف چالش‌برانگیز است.

پروانه‌ها می‌توانند این تغییرات کوچک در طیف فرابنفش را ببینند؛ مانند انسان‌ها که می‌توانند سایه‌های آبی و سبز را ببینند.

گروف خاطرنشان کرد: برای من جالب است که چگونه آنها می‌توانند تغییرات کوچک را ببینند. دیدن اشعه فرابنفش فوق‌العاده دشوار است زیرا توسط همه چیز جذب می‌شود اما پروانه‌ها به خوبی موفق شده‌اند این کار را انجام دهند.

بازی تقلید

انسان‌ها دارای دید سه رنگ با سه گیرنده نوری هستند که در آن هر رنگی که قابل درک است، می‌تواند از ترکیب قرمز، سبز و آبی ساخته شود. پروانه‌ها، چشم‌های مرکب با شش سطح گیرنده نوری یا بیشتر دارند که حساسیت طیفی آنها مشخص است.

پاپیلیو شوتوس یک پروانه زردرنگ آسیایی دم‌چلچله‌ای است که نه تنها گیرنده‌های آبی، سبز و قرمز را دارد، بلکه از گیرنده‌های بنفش و فرابنفش نیز برخوردار است.

علاوه بر این، پروانه‌ها دارای رنگ‌دانه‌های فلورسنت هستند که به آنها امکان می‌دهد نور فرابنفش را به نور مرئی تبدیل کنند تا به راحتی توسط گیرنده‌های نوری آنها حس شود. این کار به آنها امکان می‌دهد تا طیف گسترده‌تری از رنگ‌ها و جزئیات را در محیط خود درک کنند.

علاوه بر تعداد بالای گیرنده‌های نوری، پروانه‌ها یک ساختار لایه‌ای منحصربه‌فرد را نیز در گیرنده‌های نوری خود دارند. گروه دانشگاه ایلینوی برای تقلید از مکانیسم سنجش فرابنفش پروانه پاپیلیو شوتوس، این فرآیند را با ترکیب یک لایه نازک از نانوبلورهای پروسکایت و مجموعه‌ای از فتودیودهای سیلیکونی تکرار کردند.

نانوبلورهای پروسکایت، گروهی از نانوبلورهای نیمه‌رسانا هستند که ویژگی‌های منحصربه‌فرد مشابه نقاط کوانتومی را نشان می‌دهند. این ویژگی‌ها، تغییر اندازه و ترکیب ذره هستند که باعث تغییر یافتن خواص جذب و انتشار مواد می‌شوند.

نانوبلورهای پروسکایت در چند سال گذشته به عنوان یک ماده جالب برای کاربردهای گوناگون مانند سلول‌های خورشیدی و لامپ‌های LED ظاهر شده‌اند. نانوبلورهای پروسکایت در تشخیص دادن طول موج‌های فرابنفش و حتی طول موج‌های پایین‌تر بسیار خوب هستند و بهتر از آشکارسازهای سیلیکونی سنتی عمل می‌کنند.

در حسگر تصویربرداری جدید، لایه نانوبلورهای پروسکایت قادر است فوتون‌های فرابنفش را جذب کند و نور را در طیف مرئی(سبز) انتشار دهد که سپس توسط فتودیودهای سیلیکونی طبقه‌بندی‌شده شناسایی می‌شود. پردازش این سیگنال‌ها امکان نقشه‌برداری و شناسایی نشانه‌های فرابنفش را فراهم می‌کند.

مراقبت پزشکی و فراتر از آن

نشانگرهای زیست‌پزشکی گوناگونی در بافت‌های سرطانی با غلظت‌های بالاتر از بافت‌های سالم وجود دارند. این نشانگرها آمینواسیدها(آمینه‌های سازنده پروتئین‌ها)، پروتئین‌ها و آنزیم‌ها هستند.

هنگامی که این نشانگرها با نور فرابنفش برانگیخته می‌شوند، خود را در طیف فرابنفش و بخشی از طیف مرئی نشان می‌دهند و در فرآیندی به نام «اتوفلورسنس»(autofluorescence) وارد می‌شوند. نی توضیح داد: تصویربرداری در طیف فرابنفش تاکنون محدودیت داشته و می‌توانم بگویم که این بزرگترین مانع برای پیشرفت علم بوده است.

اکنون ما به این فناوری رسیده‌ایم که می‌توان از نور فرابنفش با حساسیت بالا تصویربرداری کرد و همچنین می‌توان تفاوت‌های کوچک طول موج را تشخیص داد.

از آنجا که سلول‌های سرطانی و سلول‌های سالم دارای غلظت‌های متفاوتی از نشانگرها هستند و در نتیجه علائم طیفی متفاوتی دارند، این دو گروه از سلول‌ها را می‌توان براساس فلورسنس آنها در طیف فرابنفش متمایز کرد.

این گروه پژوهشی، دستگاه تصویربرداری خود را براساس توانایی آن در تشخیص دادن نشانگرهای مرتبط با سرطان ارزیابی کردند و دریافتند که قادر است بین سرطان و سلول‌های سالم با اطمینان ۹۹ درصد تمایز قائل شود.

گروف، نی و گروه پژوهشی مشترک آنها معتقدند که از این حسگر می‌توان در طول جراحی استفاده کرد. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها این است که بدانید چه مقدار بافت را باید برداشت تا از حاشیه‌های شفاف اطمینان حاصل شود و چنین حسگری بتواند فرآیند تصمیم‌گیری را زمانی که جراح در حال برداشتن تومور سرطانی است، تسهیل کند.

نی گفت: این فناوری جدید تصویربرداری، ما را قادر می‌سازد تا سلول‌های سرطانی را از سلول‌های سالم متمایز کنیم و کاربردهای جدید و هیجان‌انگیزی را فراتر از حوزه سلامت ارائه می‌دهد.

علاوه بر پروانه‌ها، گونه‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند در اشعه فرابنفش ببینند و داشتن راهی برای تشخیص دادن آن نور، فرصت‌های جالبی را برای زیست‌شناسان فراهم می‌سازد تا درباره این گونه‌ها اطلاعات بیشتری را مانند عادات شکار و جفت‌گیری آنها کسب کنند.

بردن حسگر به زیر آب نیز می‌تواند به درک بیشتر آن محیط کمک کند. اگرچه مقدار زیادی اشعه فرابنفش توسط آب جذب می‌شود اما هنوز هم مقدار کافی از آن وجود دارد که بتواند تأثیر بگذارد و حیوانات زیادی نیز زیر آب وجود دارند که نور فرابنفش را می‌بینند و از آن استفاده می‌کنند.