В течение многих лет люди использовали животных в качестве вдохновения для создания многих вещей, которые мы используем сегодня: от покрытия на основе кожи акулы до перчаток на основе гекконов. Это известно как биомимикрия и предполагает изучение форм и процессов природы, а затем их имитацию. Но иногда биомимикрия может стать совершенно странной. Теперь исследователи нашли вдохновение в бабочках для создания нового датчика изображения рака.

Видеть ультрафиолет

Люди могут обнаружить лишь небольшую часть этого спектра. Мы называем это, довольно нетворчески, «видимым спектром». Но есть еще много частей светового спектра, которые мы не можем видеть либо потому, что их длины волн слишком короткие, либо потому, что они слишком длинные.

Ультрафиолетовый (УФ) свет — это электромагнитное излучение с длинами волн короче, чем у видимого света, но не такими короткими, как, например, у рентгеновских лучей. Здесь, на Земле, УФ-излучение в основном исходит от Солнца и представляет потенциальную опасность для здоровья человека.

Но в этом случае ультрафиолет может быть очень полезен, особенно в сочетании с бабочками.

Бабочки могут воспринимать более широкий диапазон цветов, чем люди, включая ультрафиолетовый свет. Итак, исследователи черпали вдохновение из этого — в частности, из зрительной системы Обувь-бабочка бабочка. Команда из Университета Иллинойса создала датчик изображения, который может видеть в УФ-диапазоне. Он может отличить раковые клетки от нормальных с уверенностью 99%.

«Мы черпали вдохновение из зрительной системы бабочек, которые способны воспринимать несколько областей УФ-спектра, и разработали камеру, повторяющую эту функциональность», — заявил в пресс-релизе Виктор Груев, автор исследования. «Мы сделали это, используя новые нанокристаллы перовскита в сочетании с технологией визуализации кремния».

Поскольку люди не видят УФ-свет, им трудно уловить информацию об УФ-излучении, особенно различить различия между каждой областью его спектра. Однако бабочки могут видеть эти изменения. «УФ-свет невероятно сложно уловить, он просто поглощается всем, и бабочкам это удается очень хорошо», — сказал Груев.

Игра в имитацию

Человеческое зрение является трехцветным и опирается на три фоторецептора, которые объединяются для распознавания различных цветов за счет использования красного, зеленого и синего компонентов. Напротив, у бабочек сложные глаза имеют шесть или более классов фоторецепторов, каждый из которых характеризуется уникальной спектральной чувствительностью, объяснили исследователи. Вот что открывает магию.

Например, Обувь-бабочка , азиатская бабочка-парусник с ярким желтым оттенком, обладает рецепторами не только синего, зеленого и красного, но также фиолетового, ультрафиолетового и широкополосного света. Кроме того, у бабочек есть флуоресцентные пигменты, которые позволяют им преобразовывать ультрафиолетовый (УФ) свет в видимые длины волн.

Помимо большего количества фоторецепторов, бабочки также имеют характерную многоуровневую структуру своей фоторецепторной системы. Это было непросто, но исследователям удалось имитировать механизм восприятия УФ-излучения, обнаруженный в Обувь-бабочка бабочку с помощью так называемых фотонных наноструктур (ПНК).

PNC — это тип полупроводниковых нанокристаллов с уникальными характеристиками, напоминающими квантовые точки. Изменение размера и состава этих частиц приводит к изменению свойств поглощения и излучения материала. В последнее время PNC приобрели популярность как интересный материал для различных сенсорных приложений, включая солнечные элементы.

В новом датчике изображения, разработанном командой из Иллинойса, слой PNC может захватывать УФ-фотоны, впоследствии переизлучая их в видимом (зеленом) спектре. Эти переизлученные фотоны затем улавливаются многоуровневыми кремниевыми фотодиодами. Обработка этих сигналов позволяет отображать и идентифицировать УФ-сигнатуры.

Здравоохранение и не только

Раковые ткани имеют более высокие концентрации биомедицинских маркеров, таких как аминокислоты (основные компоненты белков), белки и ферменты, по сравнению со здоровыми тканями. Под воздействием УФ-излучения эти маркеры светятся и проявляют флуоресценцию как в УФ-излучении, так и в части видимого спектра.

«Визуализация в УФ-диапазоне была ограничена, и я бы сказал, что это стало самым большим препятствием на пути научного прогресса», — заявил в пресс-релизе Шуминг Ни, автор исследования. «Теперь мы разработали технологию, с помощью которой мы можем отображать ультрафиолетовый свет с высокой чувствительностью, а также различать небольшие различия в длинах волн».

Учитывая явные различия в концентрациях маркеров между раковыми и здоровыми клетками, их можно отличить, анализируя их флуоресценцию в УФ-спектре. Затем исследователи проверили способность своего устройства визуализации различать клетки и обнаружили, что его точность составляет 99%.

Они считают, что датчик может быть очень полезен во время операции. Основной проблемой хирургических процедур является определение оптимального количества ткани, которую необходимо удалить, чтобы добиться четких границ. Такой датчик может сыграть решающую роль в оптимизации процесса принятия решений для хирургов при удалении раковой опухоли.

Помимо бабочек, многие другие виды обладают способностью воспринимать ультрафиолетовый (УФ) свет, и наличие средств для обнаружения этого спектра открывает интригующие возможности для биологов. Исследователи отметили, что это дает возможность получить более глубокое понимание аспектов этих видов, включая их охотничье и спаривающееся поведение.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.