چگونه پروانه‌ها به دانشمندان در تشخیص سرطان کمک می‌کنند؟

ترجمه و نگارش: مرضیه علی‌نژاد

در سیاره ما موجودات زنده بسیاری با حواس پیشرفته‌تر از انسان وجود دارند. لاک‌پشت‌ها می‌توانند میدان مغناطیسی زمین را حس کنند. میگو می‌تواند نور پلاریزه را تشخیص دهد. فیل‌ها در مقایسه با انسان قادر به شنیدن فرکانس‌های بسیار پایین‌تر صدا هستند. پروانه‌ها می‌توانند طیف وسیعی از رنگ‌ها، از جمله نور ماوراءبنفش (UV) را مشاهده کنند.

گروهی از دانشمندان با الهام از سیستم بینایی پیشرفته پروانه Papilio xuthus، یک حسگر تصویربرداری با قابلیت «رویت» محدوده UV ایجاد کرده اند. چشم انسان نمی‌تواند این محدوده از طول موج را دریافت و مشاهده کند. در طراحی این حسگر از فوتودیودها و نانوکریستال‌های پروسسکیت (PNC) استفاده می‌شود که قادر به تصویربرداری از طول موج‌های مختلف در محدوده UV هستند. این فناوری تصویربرداری جدید با استفاده از نشانگرهای زیستی مانند اسیدهای آمینه و با درصد اطمینان 99 ٪، قادر به تمایز بین سلول‌های سرطانی و سلول‌های طبیعی است. نتایج این پژوهش به سرپرستی دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign و پروفسور ویکتور گروف و شامینگ نی، اخیراً در مجله Science Advances منتشر شده است.

تصویر 1: سنسور PNC الهام گرفته از بینایی پروانه Papilio xuthus

گروف می‌گوید: «ما از سیستم بینایی پروانه‌ها الهام گرفته‌ایم که قادر به مشاهده چندین منطقه در طیف UV هستند و دوربینی را طراحی کرده‌ایم که این قابلیت را تکرار می‌کند.» « این کار را با استفاده از نانوکریستال های جدید Perovskite، به همراه با فناوری تصویربرداری سیلیکون انجام شده است و قادر است چندین منطقه در طیف UV را تشخیص دهد.»

نور UV تابش الکترومغناطیسی با طول موج کوتاه‌تر از نور مرئی (بلندتر از اشعه X) است. ما با اشعه ماوراءبنفش خورشید و خطرات ناشی از آن برای سلامت انسان آشنا هستیم. نور UV بر اساس محدوده طول موج آن در سه منطقه UVA، UVB و UVC طبقه‌بندی می‌شود. از آنجا که انسان نمی‌تواند نور ماوراءبنفش را ببیند، دریافت اطلاعات از اشعه ماوراءبنفش، به ویژه تفاوت‌های کوچک بین هر منطقه همواره برای بشر چالش‌برانگیز است.

با این حال، پروانه‌ها می‌توانند این تغییرات کوچک موجود در طیف UV را مشاهده کنند. گروف خاطرنشان می‌کند: « چگونگی مشاهده این تغییرات توسط پروانه‌ها بسیار جالب‌توجه است. نور UV توسط همه اشیا و موجودات زنده جذب می‌شود اما مشاهده آن بسیار دشوار است. پروانه‌ها به خوبی این کار را انجام می‌دهند.»

انسان‌ها دارای دید تریکروماتیک (سه رنگی) با سه گیرنده نوری هستند و هر رنگی که دریافت می‌شود را می‌توانند از ترکیب سه رنگ قرمز، سبز و آبی به دست آورند. این در حالی است که پروانه‌ها دارای چشم‌های مرکب با شش گروه مختلف گیرنده نوری با حساسیت طیفی مجزا هستند. پروانه دم چلچله‌ای Papilio xuthus نه تنها گیرنده نوری آبی، سبز و قرمز، بلکه گیرنده‌های بنفش و ماوراءبنفش نیز دارد. علاوه بر این، پروانه‌ها دارای رنگدانه‌های فلورسنت هستند و می‌توانند نور UV به نور مرئی تبدیل کرده و به‌راحتی توسط گیرنده‌های نوری حس کنند. این ویژگی سبب می‌گردد که آن‌ها طیف وسیعی از رنگ‌ها و جزئیات محیط را درک کنند.

پروانه‌ها علاوه بر داشتن گیرنده‌های نوری فراوان، دارای یک ساختار سازمان یافته و منحصر به فرد در گیرنده‌های نوری خود هستند. گروه محققان UIUC به منظور شبیه‌سازی مکانیسم درک و مشاهده اشعه ماوراءبنفش در پروانه Papilio xuthus، یک لایه نازک از PNC را با فوتوددیودهای سیلیکونی ترکیب کردند. PNC ها گروهی از نانوکریستال های نیمه رسانا هستند که خصوصیات منحصر به فردی مشابه با نقاط کوانتومی از خود نشان می‌دهند.

غلظت برخی نشانگرهای زیستی مانند اسیدهای آمینه، پروتئین‌ها و آنزیم‌ها در بافت‌های سرطانی نسبت به بافت های سالم بیشتر است. هنگامی که بافت ها توسط نور UV برانگیخته می‌شوند، این نشانگرها طی فرایندی به نام اتوفلورسانس در محدوده طیف UV فلورسنس می‌شوند (نوردهی می‌کنند). Nie در ادامه توضیح می‌دهد: «اکنون ما به فناوری دست یافته‌ایم که می‌تواند نور UV را با حساسیت بالا تصویر کرده و همچنین تفاوت‌های بسیار کم بین طول موج‌های مختلف را از یکدیگر متمایز نماید.»

از آنجا که سلول های سرطانی و سالم دارای غلظت‌های متفاوتی از نشانگرها بوده و اثرات طیفی مختلفی دارند، در نتیجه از نظر میزان فلورسانس در طیف UV نیز با یکدیگر متفاوت هستند. این تیم دستگاه تصویربرداری خود را از نظر میزان توانایی آن در تمایز بین نشانگرهای مرتبط با سرطان ارزیابی کرده و اذعان داشت که این دستگاه قادر به تمایز بین سلول های سرطانی و سلول‌های سالم با حدود اطمینان 99 ٪ است.

تیم تحقیقاتی مشترک Nie و Gruev بر این باورند که می‌توان در حین عمل جراحی تومورهای سرطانی از این سنسور استفاده نمود. یکی از بزرگ‌ترین چالش های پیش روی پزشکان در این عمل‌ها، اطلاع دقیق از میزان بافت سرطانی و حاشیه اطمینان آن است و استفاده از این سنسور می‌تواند به پزشکان در هنگام حذف یک تومور سرطانی کمک بسیاری نموده و احتمال بازگشت آن را کاهش دهد.

Nie می‌گوید: «این فناوری تصویربرداری جدید امکان تمایز بین سلول‌های سرطانی و سالم را فراهم کرده و با استفاده از آن می‌توان گام بسیار مهمی در تشخیص زود هنگام و درمان انواع سرطان برداشت.»

منبع:

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/11/231103170637.htm