Биофотоника
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]
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).
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]
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]
Употреба Ферстеровог резонантног преноса енергије[уреди | уреди извор]
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]
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]
- ^ „Studije pri Univerzitetu > Biofotonika”. Univerzitet u Beogradu. Архивирано из оригинала 18. 06. 2022. г. Приступљено 2023-07-11.
- ^ Spie (2015). „Gabriel Popescu plenary talk: Bridging Molecular and Cellular Biology with Optics”. SPIE Newsroom. doi:10.1117/2.3201503.18.
- ^ Goes, Frank Joseph (2013). The Eye in History. JP Medical Ltd. ISBN 978-93-5090-274-5.
- ^ 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.
- ^ Диклић, Вукосава, Косановић, Марија, Дукић, Смиљка, Николиш, Јованка: Биологија са хуманом генетиком, Графопан, Београд, 2001
- ^ 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..
- ^ „BioTechniques - NEWS: New laser microscalpel to target diseased cells”. 2017-12-06. Архивирано из оригинала 06. 12. 2017. г. Приступљено 2022-06-13.
- ^ а б „Studije pri Univerzitetu > Biofotonika”. Univerzitet u Beogradu. Архивирано из оригинала 18. 06. 2022. г. Приступљено 2022-06-13.
- ^ „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]
- Susanne Liedtke, Jürgen Popp (2006), Laser, Licht und Leben - Techniken in der Medizin (на језику: немачки), ISBN 3-527-40636-0
- Jürgen Popp, Marion Strehle (eds.) (2006). Biophotonics - Visions for Better Health Care. ISBN 3-527-40622-0.