Νέα βιοαισθητήρια υπο-τεραχέρτζ για αναγνώριση καρκινικών κυττάρων χωρίς ετικέτες
Η πρώιμη ανίχνευση και η ακριβής τυποποίηση του καρκίνου είναι κρίσιμες για την αύξηση των ποσοστών επιβίωσης των ασθενών. Παρά το γεγονός ότι η παραδοσιακή παθολογία παραμένει ο χρυσός κανόνας, συχνά απαιτεί πολύπλοκες διαδικασίες δειγμάτων και χημικές χρωματικές αντιδράσεις. Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό PhotoniX, ερευνητές από το Κρατικό Κέντρο Ερευνών Μιλιμέτρων στο Πανεπιστήμιο Νοτιοανατολικής Κίνας και το Νοσοκομείο Zhongda του ίδιου πανεπιστημίου παρουσίασαν μια νέα μέθοδο «χωρίς ετικέτες» για την ανίχνευση καρκινικών κυττάρων. Ανέπτυξαν έναν βιοαισθητήρα υπο-τεραχέρτζ που αξιοποιεί την φυσική έννοια της «διπλωματικής αναδίπλωσης» για να διακρίνει τα καρκινικά κύτταρα με βάση τις μοναδικές διηλεκτρικές τους ιδιότητες.
Η πρόκληση: Ανίχνευση του μικροσκοπικού με μακρές κυματομορφές
Οι υπο-τεραχέρτζ κυματομορφές (0.1–10 THz) είναι εξαιρετικά ελκυστικές για βιοϊατρική ανίχνευση, καθώς είναι μη ιονιστικές (ασφαλείς για τους βιολογικούς ιστούς) και εξαιρετικά ευαίσθητες στο νερό και τα βιομόρια. Ωστόσο, υπήρχε μια σημαντική φυσική πρόκληση: τα μήκη κύματος των υπο-τεραχέρτζ κυμάτων είναι πολύ μεγαλύτερα από τα μικρο-μεγέθη των κυττάρων που χρειάζεται να ανιχνεύσουν, με αποτέλεσμα αδύναμες αλληλεπιδράσεις που καθιστούν δύσκολη την καταγραφή λεπτομερών κυτταρικών πληροφοριών.
Η λύση: Ξεκλειδώνοντας τις «κρυφές καταστάσεις»
Για να ξεπεραστεί αυτό το όριο, η ερευνητική ομάδα υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Tie Jun Cui πρότεινε μια καινοτόμο λύση που βασίζεται στη φυσική της στερεάς κατάστασης: την αναδίπλωση της ζώνης υπερπλέγματος. Οι παραδοσιακοί αισθητήρες μεταϋλικών λειτουργούν συνήθως με μόνο λίγες αραιές συντονιστικές καταστάσεις, γεγονός που περιορίζει την ποσότητα πληροφοριών που μπορούν να συλλέξουν. Η ομάδα σχεδίασε μια δομή υπερπλέγματος σε σχήμα κηρήθρας και εισήγαγε ακριβείς περιοδικές διαταραχές, σπάζοντας έτσι τη δομική συμμετρία. Αυτή η διαδικασία λειτουργεί σαν κλειδί, «ξεκλειδώνοντας» μια υψηλή πυκνότητα «κρυφών καταστάσεων» (ηλεκτρομαγνητικών καταστάσεων που κανονικά δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν με κύματα ελεύθερου χώρου) και αναδιπλώνοντάς τις στην ακτινοβολούμενη περιοχή όπου μπορούν να ανιχνευθούν.
Πειραματική επικύρωση: Διακριτές «διηλεκτρικές αποτυπώσεις»
Η ομάδα επικύρωσε την τεχνολογία δοκιμάζοντας τρεις διαφορετικούς τύπους κυττάρων: φυσιολογικά μεσεγχυματικά βλαστοκύτταρα (MSCs) και δύο τύπους καρκινικών κυττάρων του τραχήλου της μήτρας με διαφορετικούς βαθμούς κακοήθειας (HeLa και CaSki). Οι πειραματικές δοκιμές έδειξαν ότι ο αισθητήρας μπορούσε να διακρίνει καθαρά μεταξύ των τριών. Καθώς η κακοήθεια των κυττάρων αυξανόταν, ο αισθητήρας ανίχνευσε διακριτές μετατοπίσεις στα φάσματα μετάδοσης. Σημαντικά, οι ερευνητές γεφύρωσαν το χάσμα μεταξύ φυσικής και βιολογίας για να εξηγήσουν γιατί αυτό συμβαίνει. Χρησιμοποιώντας ιστοπαθολογία και μικροσκοπία ατομικής δύναμης, επιβεβαίωσαν ότι τα κακοήθη κύτταρα διαθέτουν πυκνότερη συσσώρευση ενδοκυτταρικής βιομάζας (όπως πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα) και διευρυμένους πυρήνες σε σύγκριση με τα φυσιολογικά κύτταρα. Αυτή η «συμπυκνωμένη» κυτταρική αρχιτεκτονική οδηγεί σε υψηλότερη αποτελεσματική διηλεκτρική σταθερά, την οποία ο αισθητήρας υπο-τεραχέρτζ ανιχνεύει ως μοναδικό σήμα.
Μέλλον: Υπόσχεση για διαγνωστικές συσκευές
Αυτή η εργασία καθορίζει μια άμεση σύνδεση μεταξύ μικροσκοπικής κυτταρικής παθολογίας και μακροσκοπικής ηλεκτρομαγνητικής απόκρισης. Προσφέροντας έναν τρόπο τυποποίησης κυττάρων χωρίς ετικέτες, μη καταστροφικό και γρήγορο, αυτή η τεχνολογία έχει υποσχέσεις για την ανάπτυξη μελλοντικών διαγνωστικών συσκευών για πρώιμη ανίχνευση καρκίνου και ενδοχειρουργική εκτίμηση.
