Sensore di imaging bioispirato al sistema visivo della farfalla Papilio xuthus in grado di eseguire imaging con risoluzione in lunghezza d'onda nella gamma UV
L'imaging e l'identificazione delle firme dei bersagli e dei marcatori biomedici nello spettro ultravioletto (UV) sono ampiamente importanti per l'imaging medico, il tracciamento dei bersagli militari, il telerilevamento e l'automazione industriale. Tuttavia, gli attuali sensori di imaging basati sul silicio sono fondamentalmente limitati a causa del rapido assorbimento e attenuazione della luce UV, che ostacola la loro capacità di risolvere le firme spettrali UV.
Ci sono molte creature sul nostro pianeta con sensi più avanzati di quelli umani. Le tartarughe possono percepire il campo magnetico terrestre. I gamberetti mantide possono rilevare la luce polarizzata. Gli elefanti possono sentire frequenze molto più basse rispetto agli umani. Le farfalle possono percepire una gamma più ampia di colori, inclusa la luce ultravioletta (UV).
Ispirandosi al sistema visivo potenziato della farfalla Papilio xuthus, un team di ricercatori ha sviluppato un sensore di imaging in grado di “vedere” nella gamma UV inaccessibile agli occhi umani. Il design del sensore utilizza fotodiodi impilati e nanocristalli di perovskite (PNC) in grado di acquisire diverse lunghezze d'onda nella gamma UV. Utilizzando le firme spettrali dei marcatori biomedici, come gli amminoacidi, questa nuova tecnologia di imaging è persino in grado di differenziare tra cellule tumorali e cellule normali con una sicurezza del 99%.
Questa nuova ricerca, guidata dal professore di ingegneria elettrica e informatica Urbana-Champaign dell’Università dell’Illinois Viktor Gruev e dal professore di bioingegneria Shuming Nie, è stata pubblicata sulla rivista Science Advances (1).
Piccole variazioni
«Ci siamo ispirati al sistema visivo delle farfalle, che sono in grado di percepire più regioni nello spettro UV, e abbiamo progettato una fotocamera che replica tale funzionalità», afferma il professor Viktor Gruev (2). «Lo abbiamo fatto utilizzando nuovi nanocristalli di perovskite, combinati con la tecnologia di imaging del silicio, e questa nuova tecnologia della fotocamera è in grado di rilevare più regioni UV».
La luce UV è una radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda inferiori a quelle della luce visibile (ma più lunghe dei raggi X). Conosciamo meglio le radiazioni UV del sole e i pericoli che comportano per la salute umana. La luce UV è classificata in tre diverse regioni: UVA, UVB e UVC, in base a diversi intervalli di lunghezze d'onda. Poiché gli esseri umani non possono vedere la luce UV, è difficile acquisire informazioni UV, soprattutto discernendo le piccole differenze tra ciascuna regione.
Le farfalle, tuttavia, possono vedere queste piccole variazioni nello spettro UV, così come gli esseri umani possono vedere le sfumature del blu e del verde. Il professor Viktor Gruev osserva: «È interessante per me come riescano a vedere quelle piccole variazioni. La luce UV è incredibilmente difficile da catturare, viene assorbita da tutto e le farfalle sono riuscite a farlo molto bene».
Il gioco dell'imitazione
Gli esseri umani hanno una visione tricromatica con tre fotorecettori, dove ogni colore percepito può essere costituito da una combinazione di rosso, verde e blu. Le farfalle, tuttavia, hanno occhi composti, con sei (o più) classi di fotorecettori con sensibilità spettrali distinte. In particolare, la Papilio xuthus, una farfalla gialla a coda di rondine asiatica, non ha solo recettori blu, verdi e rossi, ma anche viola, ultravioletti e a banda larga. Inoltre, le farfalle hanno pigmenti fluorescenti che consentono loro di convertire la luce UV in luce visibile che può poi essere facilmente rilevata dai loro fotorecettori. Ciò consente loro di percepire una gamma più ampia di colori e dettagli nel loro ambiente.
Oltre all'aumento del numero di fotorecettori, le farfalle mostrano anche una struttura a livelli unica nei loro fotorecettori. Per replicare il meccanismo di rilevamento UV della farfalla Papilio xuthus, il team dell'UIUC ha emulato il processo combinando un sottile strato di PNC con una serie stratificata di fotodiodi al silicio.
I PNC (perovskite nanocrystals) sono una classe di nanocristalli semiconduttori che mostrano proprietà uniche simili a quelle dei punti quantici: la modifica delle dimensioni e della composizione della particella modifica le proprietà di assorbimento ed emissione del materiale. Negli ultimi anni, i PNC sono emersi come materiali interessanti per diverse applicazioni di rilevamento, come celle solari e LED. I PNC sono estremamente efficaci nel rilevare le lunghezze d'onda UV (e anche inferiori) rispetto ai tradizionali rilevatori al silicio. Nel nuovo sensore di immagine, lo strato PNC è in grado di assorbire fotoni UV e riemettere luce nello spettro visibile (verde) che viene poi rilevato dai fotodiodi al silicio stratificati. L'elaborazione di questi segnali consente la mappatura e l'identificazione delle firme UV.
Sanità e oltre
Esistono vari marcatori biomedici presenti nei tessuti cancerosi in concentrazioni più elevate rispetto ai tessuti sani: aminoacidi (elementi costitutivi delle proteine), proteine ed enzimi. Quando eccitati con la luce UV, questi marcatori si illuminano e emettono fluorescenza negli UV e in parte dello spettro visibile, in un processo chiamato autofluorescenza.
«L'imaging nella regione UV è stato limitato e direi che è stato il più grande ostacolo al progresso scientifico», spiega il professor Shuming Nie (3). «Ora abbiamo messo a punto questa tecnologia con cui possiamo visualizzare la luce UV con elevata sensibilità e possiamo anche distinguere piccole differenze di lunghezza d’onda».
Poiché il cancro e le cellule sane hanno diverse concentrazioni di marcatori e quindi diverse firme spettrali, le due classi di cellule possono essere differenziate in base alla loro fluorescenza nello spettro UV. Il team ha valutato la capacità del dispositivo di imaging di discriminare i marcatori correlati al cancro e ha scoperto che è in grado di distinguere tra cancro e cellule sane con una sicurezza del 99%.
Il dottor Gruev, Nie e il loro gruppo di ricerca collaborativo immaginano di poter utilizzare questo sensore durante l'intervento chirurgico. Una delle sfide più grandi è sapere quanto tessuto rimuovere per garantire margini liberi e un sensore di questo tipo può aiutare a facilitare il processo decisionale quando un chirurgo rimuove un tumore canceroso.
«Questa nuova tecnologia di imaging ci consente di differenziare le cellule cancerose da quelle sane e sta aprendo nuove ed entusiasmanti applicazioni oltre la semplice salute», afferma il professor Nie. Ci sono molte altre specie oltre alle farfalle in grado di vedere nei raggi UV, e avere un modo per rilevare quella luce fornirà ai biologi interessanti opportunità per saperne di più su queste specie, come le loro abitudini di caccia e di accoppiamento. Portare il sensore sott'acqua può aiutare anche a comprendere meglio quell'ambiente. Anche se molti raggi UV vengono assorbiti dall'acqua, ce n'è ancora abbastanza che riesce ad avere un impatto e ci sono molti animali sott'acqua che vedono e usano anche la luce UV.
Il dottor Viktor Gruev è anche un affiliato del Beckman Institute for Advanced Science and Technology, il department of bioengineering e il Carle Illinois College of Medicine at UIUC. Il dottor Shuming Nie è anche un'affiliata del Beckman Institute for Advanced Science and Technology, and the department of electrical and computer engineering.
Altri contributori a questo lavoro includono Cheng Chen (department of electrical and computer engineering at UIUC), Ziwen Wang (department of bioengineering at UIUC), Jiajing Wu (College of Engineering and Applied Sciences at Nanjing University, China and School of Chemistry and Chemical Engineering at Yangzhou University, China), Zhengtao Deng (College of Engineering and Applied Sciences at Nanjing University, China), Tao Zhang (College of Engineering and Applied Sciences at Nanjing University, China), Zhongmin Zhu (department of electrical and computer engineering at UIUC), Yifei Jin (department of electrical and computer engineering at UIUC), Benjamin Lew (department of electrical and computer engineering at UIUC), Indrajit Srivastava (department of electrical and computer engineering at UIUC) and Zuodong Liang (department of electrical and computer engineering at UIUC).
Questa ricerca è stata finanziata dall’U.S. Air Force Office of Scientific Research, Office of Naval Research, the National Science Foundation, the National Institute of Health, and the University of Illinois Institutional Funds.
Riferimenti:
(2) Viktor Gruev
(3) Shuming Nie
Descrizione foto: Rappresentazione artistica di una farfalla sopra il sensore di imaging bioispirato. - Credit: The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Seeing the unseen: How butterflies can help scientists detect cancer