Биофотоника

С Википедије, слободне енциклопедије
Слике деобе ћелија рака добијене различитим светлосним филтерима на скенирајућем флуоресцентном микроскопу.

Биофотоника је интердисциплинарна научна област и једна од области фотонике која се бави стварањем, манипулацијом и детекцијом светлости односно фотона као квантних јединица светлости. Биофотоника обједињује технологије за стварање, манипулацију и детекцију фотона, које се традиционално развијају у оквиру физике, електротехнике и оптоелектронике, и користи природне процесе као што су апсорпција, емисија и расејање светлости, које се традиционално изучавају у оквиру физичке хемије, како би се окаракетрисале физичко-хемијске особине живих система и утврдиле молекуларне основе биолошких процеса.[1]

Као и фотоника и биофотоника је изразито мултидисциплинарна област, која се комбинујући биомедицину и фотонику, примењује у истраживањима молекула, ћелија и ткива, у откривању структура биолошких узорака, у примени нових нано материјала и фотоничних структура за детектовање трагова биолошког материјала, у развоју нових метода и техника високе резолуције за визуализацију ћелија и процеса који се у њима одвијају.[2]

Биофотоника се углавном фокусира на побољшање медицинских дијагностичких способности (на пример у области тумора или заразне болести), али се такође може користити за еколошке или друге намене. Главне предности овог приступа су брзина анализе, неинвазивност дијагностике и могућност рада на лицу места.

Историја[уреди | уреди извор]

Антониje ван Левенхук који је творац неких од првих микроскопа сматра се праоцем биофотонике у 17. веку.

Историјски гледано, праоцем биофотонике у 17. веку, може се сматрати Антониje ван Левенхук који је творац неких од првих микроскопа, уз помоћ кога је био у стању да спроведе прва истраживања о микроорганизмима и ћелијама.[3]

Још један од пионир биофотонике може се сматрати Роберт Кох, који заједно са Ернстом Абеом радио на новим техникама и побољшањима оптичких микроскопа. Ова интердисциплинарна сарадња била је један од темеља револуционарних открића Роберта Коха.[4]

Друга прекретница био је развој фазноконтрастне микроскопије од стране Фрица Зерникеа, уз чију помоћ је могла да се фотографише прва ћелијска деоба.[5]

Један аспект биофотонике који се бави спонтаном емисијом светлости из биолошког ткива сеже у рад руског биолога Александра Гурвича из 1920 -их. После експеримената са клијавим луком, он је сугерисао да живе ћелије емитују веома слабо светлосно зрачење, које је назвао митогенетским зрачењем и претпоставио да би ово зрачење могло да изазове деобу ћелија ( митозу).

Савремена биофотоника која је у суштини настала крајем 1990-их, кроз развој модерне ласерске технологиједанас данас је нашла примену у испитивању биолошких ткива. .

Опште информације[уреди | уреди извор]

Биофотоника проучава различите аспекте интеракције биолошких објеката и фотона. Пре свега, то се тиче емисије, детекције, апсорпције, рефлексије, модификације и генерисања електромагнетног зрачења у светлосном опсегу или близу њега у различитим биолошким објектима (на пример у молекулима, ћелијама, ткививима, организмима и материјалима).

Главне области истраживања биофотонике
Област Задаци
Прва област Ова област истраживања (која се обично назива термином биофотоника) занована је на употреби светлости за добијање информација о стању биолошких објеката. Односно, коришћење оптичких метода за проучавање и дијагнозу биолошких молекула, ћелија и ткива. У овом случају, једна од главних предности је очување интегритета мембране проучаваних ћелија  .
Други област Ова област истраживања (традиционалнија и развијенији), јесте употреба светлости као инструмента којим се остварује утицај на биолошка ткива, односно као носиоца енергије, на пример, у хирургији или терапији .

Примена[уреди | уреди извор]

Приказ дубинe продирања светлости кроз људску кожу

Примена биофотонике заснована на зрачењу преноси енергију па је као таква погодна за терапију, хирургију, фабрикацију нано структура, итд.

У биофотоници се користи и могућност зрачења у циљу побуђивања материје како би се преко детектоване емисије зрачења добиле информације о материји и њеним својствима.

Све веће примене биофотонике среће се у:[6]

  • превентивној медици,
  • биомедицинским истраживањима,
  • медицинској дијагностици
  • квалитетнијем лечењу,
  • фармацији,
  • већим приносима хране у пољопривреди,
  • ефикаснијој заштити човекове средине.
  • производњи нових материјала који имитирају пожељне карактеристике живих бића.

Неки примери метода биофотонике[уреди | уреди извор]

Визуелизација локације Голџијевог апарата у живим макрофагима коришћењем Ферстеровог резонантног преноса енергије.

Употреба Ферстеровог резонантног преноса енергије[уреди | уреди извор]

Ласерски скалпел

Такозвани Ферстер резонантни пренос енергије ( ФРЕТ) је назван по немачком физичару Теодору Фоерстеру који га је описао 1946. године. Метода се заснива на феномену флуоресценције када се енергија преноси између два хромофора, донора и акцептора, што се дешава без међуемисије фотона и резултат је дипол-дипол интеракције између њих. Фоерстеров трансфер је постао једна од најчешће коришћених метода у биофотоници, јер омогућава истраживање чак и субћелијском окружењу.  

Оптогенетика[уреди | уреди извор]

Оптогенетика, једна од биофотонских техника која се користи за истраживање нервних ћелија. Заснива се на увођењу, методом генетског инжењеринга, у њихову мембрану посебних канала – опсина који реагују на побуђивање светлошћу, што се обезбеђује употребом ласера ​​и оптоелектронске опреме  .

Ласерски скалпел[уреди | уреди извор]

Види још: Ласерски скалпел

У биофотоници, метода сечења, аблације и синтеровања (спајања) ивица живог биолошког ткива заснива се на коришћењу ласерског скалпела.[7] Његова важна предност у поређењу са конвенционалним скалпелом је ниска инвазивност операције због мале ширине реза, истовремене коагулације крвних судова и значајног смањења крварења. Поред тога, ласерско зрачење је апсолутно стерилно. Као резултат наведеног, период зарастања рана се смањује за два до три пута.

Образовање кадрова[уреди | уреди извор]

Због интердисциплинарне природе биофотонике образовање стручњака не може да се одвија у оквиру појединачних факултета и постојећих програма докторских студија, већ захтева тесну сарадњу између факултета и научно-истраживачких установа која се ефикасно може остварити у оквиру појединих Универзитета.[8]

Тако нпр. Студијски програм докторских студија биофотоника на Београдском универзитету чини 20 предмета који могу да се сврстају у 3 целине:[8]

  • Уводни и општи предмети,
  • Биомедицинско осликавање (имиџинг),
  • Биолошки сензори-биомедицинко очитавање.

Водећи светски центри фотонике[9][уреди | уреди извор]

Русија[уреди | уреди извор]

У Русији водећи наставни центар фотонике је Санктпетербуршки национални истраживачки универзитет информационих технологија, механике и оптике. Обука је добро организована на Новосибирском државном универзитету, Московском институту за физику и технологију и Националном истраживачком нуклеарном универзитету МЕПхИ. У Сколтеху створене су две првокласне, добро опремљене лабораторије, а након пресељења у нови кампус почетком 2018. године, почеће са радом још две нове лабораторије.

Сједињене Америчке Државе[уреди | уреди извор]

У Сједињеним Америчким Државама, највећи оптички центри се налазе на универзитетима у Аризони, Флориди и Рочестеру. На Технолошком институту Масачусетса гради се моћан центар, а постоји и неколико веома познатих лабораторија у низу великих универзитета, попут Колумбије, Корнела, Универзитета Калифорније, Берклија.

Велика Британија[уреди | уреди извор]

Велики енглески центри фотонике налазе се на универзитетима у Саутемптону и Астону, на Империјал колеџу у Лондону, Оксфорду и Кембриџу.

Немачка[уреди | уреди извор]

У Немачкој је фотоника веома добро заступљена на универзитетима у Карлсруеу и Макс Планк институту за науку о светлости у Ерлангену.

Остали центри[уреди | уреди извор]

Добро развијене оптички центри налазе се и у Сингапуру, Јапану, Тајвану и Кини и Јужној Кореји.

Извори[уреди | уреди извор]

  1. ^ „Studije pri Univerzitetu > Biofotonika”. Univerzitet u Beogradu. Архивирано из оригинала 18. 06. 2022. г. Приступљено 2023-07-11. 
  2. ^ Spie (2015). „Gabriel Popescu plenary talk: Bridging Molecular and Cellular Biology with Optics”. SPIE Newsroom. doi:10.1117/2.3201503.18. 
  3. ^ Goes, Frank Joseph (2013). The Eye in History. JP Medical Ltd. ISBN 978-93-5090-274-5. 
  4. ^ Tan, S. Y.; Berman, E. (2008). „Robert Koch (1843-1910): father of microbiology and Nobel laureate”. Singapore Medical Journal. 49 (11): 854—855. PMID 19037548. 
  5. ^ Диклић, Вукосава, Косановић, Марија, Дукић, Смиљка, Николиш, Јованка: Биологија са хуманом генетиком, Графопан, Београд, 2001
  6. ^ Krafft, Christoph (2016). „Modern trends in biophotonics for clinical diagnosis and therapy to solve unmet clinical needs”. Journal of Biophotonics. 9 (11–12): 1362—1375. PMID 27943650. S2CID 28680916. doi:10.1002/jbio.201600290. .
  7. ^ „BioTechniques - NEWS: New laser microscalpel to target diseased cells”. 2017-12-06. Архивирано из оригинала 06. 12. 2017. г. Приступљено 2022-06-13. 
  8. ^ а б „Studije pri Univerzitetu > Biofotonika”. Univerzitet u Beogradu. Архивирано из оригинала 18. 06. 2022. г. Приступљено 2022-06-13. 
  9. ^ „Ильдар Габитов: «Биофотоника направлена как на изучение основ живых систем, так и на продление жизни человека» — все самое интересное на ПостНауке”. postnauka.ru (на језику: руски). Приступљено 2023-07-11. 

Литература[уреди | уреди извор]

Спољашње везе[уреди | уреди извор]

Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Биофотоника&oldid=27471373”