Ispirato dal vedere le farfalle per rilevare il cancro

La visione delle farfalle è molto diversa dalla nostra visione. I loro occhi composti in particolare hanno una visione più ampia dei colori, inclusa, tra gli altri, la luce ultravioletta (UV). Tuttavia, le cellule sane e quelle tumorali emettono firme diverse nello spettro UV. E così i ricercatori dell’Illinois hanno immaginato un nuovo sistema di imaging. Quest’ultimo si basa sugli occhi delle farfalle ed è in grado di rilevare i raggi ultravioletti. Hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Progresso della scienza.

Vedere le farfalle è un mondo di colori

Certamente le farfalle hanno un’acuità visiva media, ma vedono molti colori. In particolare, hanno una percezione superiore delle ombre, consentendo loro di vedere una gamma estesa fino alla luce ultravioletta.

Infatti i nostri occhi, siano essi quelli degli esseri umani o delle farfalle, non vedono i colori, ma rilevano piuttosto le lunghezze d’onda della luce. I colori come li conosciamo risultano quindi dalla “decodificazione” delle informazioni da parte del cervello.
Gli esseri umani vedono nel cosiddetto spettro visibile, compreso tra 400 nanometri (viola) e 700 nanometri (rosso). Le farfalle, dal canto loro, hanno uno spettro più ampio e includeranno quindi lunghezze d’onda UV (meno di 400 nanometri).

Queste differenze nella visione derivano dalla composizione dell’occhio. Le farfalle, a differenza di noi, hanno… Occhi composti. È formato da migliaia di piccoli occhi chiamati ommatidi. Ogni ommatidia ha il suo nervo ottico e la sua lente, che sono disposti in direzioni diverse l’uno dall’altro, permettendo alla farfalla di percepire il minimo movimento attorno a sé.
Inoltre, gli occhi delle farfalle contengono più fotorecettori dei nostri occhi. Gli esseri umani ne hanno tre tipi, mentre alcune farfalle ne hanno altrettanti 15 tipi diversi ! Ciò consente loro di essere più accurati nella percezione dei colori e delle sfumature.

Se anche noi fossimo capaci di tale consapevolezza, potremmo osservare cosa accade nelle radiazioni ultraviolette, soprattutto in campo sanitario.

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Le cellule tumorali possono essere rilevate con la luce ultravioletta

Esistono differenze tra le cellule sane e le cellule tumorali, soprattutto nelle molecole che possiedono.
Pertanto, gli amminoacidi aromatici, come la tirosina e il triptofano, sono presenti in concentrazioni più elevate. Questo vale anche per alcune proteine, come l’elastina o gli enzimi. Ciò è dovuto all’aumento dell’attività metabolica delle cellule tumorali e all’aumento della proliferazione cellulare rispetto a quella dei tessuti sani.

Quando eccitiamo questi amminoacidi aromatici e proteine ​​con luce UV a 280 nm, osserviamo spettri di fluorescenza molto distinti che differiscono da quelli delle cellule sane.
Sarà quindi possibile distinguere le cellule tumorali e colpirle utilizzando la radiazione ultravioletta. Tuttavia questa proprietà è stata finora poco sfruttata. Questo è ciò che si rammarica il professor Ni, coautore dello studio. ” L’imaging basato su UV è stato limitato. Direi che questo è stato l’ostacolo più grande al raggiungimento del progresso scientifico “.

Per rimediare a questo, il team di ricercatori ha voluto trarre ispirazione dall’osservazione delle farfalle per creare un nuovo tipo di sensore. Per fare ciò, gli scienziati hanno utilizzato nanocristalli di perovskite (PNC) in grado di rilevare diverse lunghezze d’onda nella gamma degli ultravioletti.

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Un sensore ispirato alla visione delle farfalle Papilio xotus

Tra i diversi tipi di farfalle presenti, i ricercatori hanno prestato attenzione a loro Papilio xotusFarfalla gialla asiatica di coda forcuta. Quest’ultimo ha sei diversi tipi di fotorecettori che gli consentono di rilevare i raggi ultravioletti. Inoltre, è dotato di pigmenti fluorescenti che gli consentono di convertire la luce UV in luce visibile.

Tuttavia, il numero di fotorecettori non è tutto. Per essere molto precisi e precisi nella nostra percezione dei diversi raggi ultravioletti, la farfalla Papilio xotus Ha anche una struttura multilivello unica nei suoi fotorecettori.
Pertanto, in questo studio, gli scienziati hanno cercato di riprodurre questi meccanismi per creare un sensore in grado di rilevare la radiazione ultravioletta. Hanno poi combinato un sottile strato di PNC con una serie multilivello di fotodiodi al silicio.

I PNC appartengono ai nanocristalli semiconduttori. Hanno proprietà uniche, il che significa che se modifichiamo la dimensione e la composizione delle particelle, modifichiamo le proprietà di assorbimento ed emissione del materiale. Vengono utilizzati sempre di più in diverse applicazioni di rilevamento: celle solari, LED… e UV!
Quindi i ricercatori hanno utilizzato quest’ultima proprietà per creare un nuovo sensore di immagine. Lo strato PNC assorbe i fotoni UV e quindi emette luce nel nostro spettro visibile. Questa luce verde viene rilevata da diversi livelli di fotodiodi al silicio. Creano quindi un’immagine visibile ai nostri occhi.

Grazie a questo siamo in grado di mappare e identificare le impronte UV degli oggetti osservati.

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Rileva le cellule tumorali con questo nuovo strumento di imaging

Come abbiamo visto in precedenza, le cellule tumorali e le cellule sane non hanno la stessa firma UV.
Quindi i ricercatori volevano verificare che il loro nuovo sensore fosse effettivamente in grado di rilevare e differenziare queste firme.

Hanno notato che il dispositivo di imaging è in grado di distinguere tra diversi tipi di cellule con un tasso di confidenza del 99%!
Sulla base di questo risultato, i ricercatori stanno ora valutando l’utilizzo di questo sensore durante le procedure chirurgiche. In effetti, una delle maggiori sfide in chirurgia è sapere quanto tessuto rimuovere per un trattamento efficace. Utilizzando questo nuovo tipo di sensore, il chirurgo sarà guidato più facilmente durante la rimozione dei tumori.

Tuttavia, il sensore potrebbe avere altre applicazioni oltre alla salute. I biologi possono anche usarlo per monitorare le specie in grado di rilevare le radiazioni ultraviolette. Ciò consentirebbe loro di comprendere meglio le loro abitudini di vita a queste lunghezze d’onda. Allo stesso modo, può essere utile per osservare la vita sottomarina. In effetti, molti animali acquatici vedono e usano le radiazioni ultraviolette.

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