Biofotonika
Biofotonika je interdisciplinarna naučna oblast i jedna od oblasti fotonike koja se bavi stvaranjem, manipulacijom i detekcijom svetlosti odnosno fotona kao kvantnih jedinica svetlosti. Biofotonika objedinjuje tehnologije za stvaranje, manipulaciju i detekciju fotona, koje se tradicionalno razvijaju u okviru fizike, elektrotehnike i optoelektronike, i koristi prirodne procese kao što su apsorpcija, emisija i rasejanje svetlosti, koje se tradicionalno izučavaju u okviru fizičke hemije, kako bi se okaraketrisale fizičko-hemijske osobine živih sistema i utvrdile molekularne osnove bioloških procesa.[1]
Kao i fotonika i biofotonika je izrazito multidisciplinarna oblast, koja se kombinujući biomedicinu i fotoniku, primenjuje u istraživanjima molekula, ćelija i tkiva, u otkrivanju struktura bioloških uzoraka, u primeni novih nano materijala i fotoničnih struktura za detektovanje tragova biološkog materijala, u razvoju novih metoda i tehnika visoke rezolucije za vizualizaciju ćelija i procesa koji se u njima odvijaju.[2]
Biofotonika se uglavnom fokusira na poboljšanje medicinskih dijagnostičkih sposobnosti (na primer u oblasti tumora ili zarazne bolesti), ali se takođe može koristiti za ekološke ili druge namene. Glavne prednosti ovog pristupa su brzina analize, neinvazivnost dijagnostike i mogućnost rada na licu mesta.
Istorija
uredi
Istorijski gledano, praocem biofotonike u 17. veku, može se smatrati Antonije van Levenhuk koji je tvorac nekih od prvih mikroskopa, uz pomoć koga je bio u stanju da sprovede prva istraživanja o mikroorganizmima i ćelijama.[3]
Još jedan od pionir biofotonike može se smatrati Robert Koh, koji zajedno sa Ernstom Abeom radio na novim tehnikama i poboljšanjima optičkih mikroskopa. Ova interdisciplinarna saradnja bila je jedan od temelja revolucionarnih otkrića Roberta Koha.[4]
Druga prekretnica bio je razvoj faznokontrastne mikroskopije od strane Frica Zernikea, uz čiju pomoć je mogla da se fotografiše prva ćelijska deoba.[5]
Jedan aspekt biofotonike koji se bavi spontanom emisijom svetlosti iz biološkog tkiva seže u rad ruskog biologa Aleksandra Gurviča iz 1920 -ih. Posle eksperimenata sa klijavim lukom, on je sugerisao da žive ćelije emituju veoma slabo svetlosno zračenje, koje je nazvao mitogenetskim zračenjem i pretpostavio da bi ovo zračenje moglo da izazove deobu ćelija ( mitozu).
Savremena biofotonika koja je u suštini nastala krajem 1990-ih, kroz razvoj moderne laserske tehnologijedanas danas je našla primenu u ispitivanju bioloških tkiva. .
Opšte informacije
urediBiofotonika proučava različite aspekte interakcije bioloških objekata i fotona. Pre svega, to se tiče emisije, detekcije, apsorpcije, refleksije, modifikacije i generisanja elektromagnetnog zračenja u svetlosnom opsegu ili blizu njega u različitim biološkim objektima (na primer u molekulima, ćelijama, tkivivima, organizmima i materijalima).
| Oblast | Zadaci |
|---|---|
| Prva oblast | Ova oblast istraživanja (koja se obično naziva terminom biofotonika) zanovana je na upotrebi svetlosti za dobijanje informacija o stanju bioloških objekata. Odnosno, korišćenje optičkih metoda za proučavanje i dijagnozu bioloških molekula, ćelija i tkiva. U ovom slučaju, jedna od glavnih prednosti je očuvanje integriteta membrane proučavanih ćelija . |
| Drugi oblast | Ova oblast istraživanja (tradicionalnija i razvijeniji), jeste upotreba svetlosti kao instrumenta kojim se ostvaruje uticaj na biološka tkiva, odnosno kao nosioca energije, na primer, u hirurgiji ili terapiji . |
Primena
uredi
Primena biofotonike zasnovana na zračenju prenosi energiju pa je kao takva pogodna za terapiju, hirurgiju, fabrikaciju nano struktura, itd.
U biofotonici se koristi i mogućnost zračenja u cilju pobuđivanja materije kako bi se preko detektovane emisije zračenja dobile informacije o materiji i njenim svojstvima.
Sve veće primene biofotonike sreće se u:[6]
- preventivnoj medici,
- biomedicinskim istraživanjima,
- medicinskoj dijagnostici
- kvalitetnijem lečenju,
- farmaciji,
- većim prinosima hrane u poljoprivredi,
- efikasnijoj zaštiti čovekove sredine.
- proizvodnji novih materijala koji imitiraju poželjne karakteristike živih bića.
Neki primeri metoda biofotonike
uredi
Upotreba Fersterovog rezonantnog prenosa energije
uredi
Takozvani Ferster rezonantni prenos energije ( FRET) je nazvan po nemačkom fizičaru Teodoru Foersteru koji ga je opisao 1946. godine. Metoda se zasniva na fenomenu fluorescencije kada se energija prenosi između dva hromofora, donora i akceptora, što se dešava bez međuemisije fotona i rezultat je dipol-dipol interakcije između njih. Foersterov transfer je postao jedna od najčešće korišćenih metoda u biofotonici, jer omogućava istraživanje čak i subćelijskom okruženju.
Optogenetika
urediOptogenetika, jedna od biofotonskih tehnika koja se koristi za istraživanje nervnih ćelija. Zasniva se na uvođenju, metodom genetskog inženjeringa, u njihovu membranu posebnih kanala – opsina koji reaguju na pobuđivanje svetlošću, što se obezbeđuje upotrebom lasera i optoelektronske opreme .
Laserski skalpel
urediU biofotonici, metoda sečenja, ablacije i sinterovanja (spajanja) ivica živog biološkog tkiva zasniva se na korišćenju laserskog skalpela.[7] Njegova važna prednost u poređenju sa konvencionalnim skalpelom je niska invazivnost operacije zbog male širine reza, istovremene koagulacije krvnih sudova i značajnog smanjenja krvarenja. Pored toga, lasersko zračenje je apsolutno sterilno. Kao rezultat navedenog, period zarastanja rana se smanjuje za dva do tri puta.
Obrazovanje kadrova
urediZbog interdisciplinarne prirode biofotonike obrazovanje stručnjaka ne može da se odvija u okviru pojedinačnih fakulteta i postojećih programa doktorskih studija, već zahteva tesnu saradnju između fakulteta i naučno-istraživačkih ustanova koja se efikasno može ostvariti u okviru pojedinih Univerziteta.[8]
Tako npr. Studijski program doktorskih studija biofotonika na Beogradskom univerzitetu čini 20 predmeta koji mogu da se svrstaju u 3 celine:[8]
- Uvodni i opšti predmeti,
- Biomedicinsko oslikavanje (imidžing),
- Biološki senzori-biomedicinko očitavanje.
Rusija
urediU Rusiji vodeći nastavni centar fotonike je Sanktpeterburški nacionalni istraživački univerzitet informacionih tehnologija, mehanike i optike. Obuka je dobro organizovana na Novosibirskom državnom univerzitetu, Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju i Nacionalnom istraživačkom nuklearnom univerzitetu MEPhI. U Skoltehu stvorene su dve prvoklasne, dobro opremljene laboratorije, a nakon preseljenja u novi kampus početkom 2018. godine, počeće sa radom još dve nove laboratorije.
Sjedinjene Američke Države
urediU Sjedinjenim Američkim Državama, najveći optički centri se nalaze na univerzitetima u Arizoni, Floridi i Ročesteru. Na Tehnološkom institutu Masačusetsa gradi se moćan centar, a postoji i nekoliko veoma poznatih laboratorija u nizu velikih univerziteta, poput Kolumbije, Kornela, Univerziteta Kalifornije, Berklija.
Velika Britanija
urediVeliki engleski centri fotonike nalaze se na univerzitetima u Sautemptonu i Astonu, na Imperijal koledžu u Londonu, Oksfordu i Kembridžu.
Nemačka
urediU Nemačkoj je fotonika veoma dobro zastupljena na univerzitetima u Karlsrueu i Maks Plank institutu za nauku o svetlosti u Erlangenu.
Ostali centri
urediDobro razvijene optički centri nalaze se i u Singapuru, Japanu, Tajvanu i Kini i Južnoj Koreji.
Izvori
uredi- ^ „Studije pri Univerzitetu > Biofotonika”. Univerzitet u Beogradu. Arhivirano iz originala 18. 06. 2022. g. Pristupljeno 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.
- ^ Diklić, Vukosava, Kosanović, Marija, Dukić, Smiljka, Nikoliš, Jovanka: Biologija sa humanom genetikom, Grafopan, Beograd, 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. Arhivirano iz originala 06. 12. 2017. g. Pristupljeno 2022-06-13.
- ^ a b „Studije pri Univerzitetu > Biofotonika”. Univerzitet u Beogradu. Arhivirano iz originala 18. 06. 2022. g. Pristupljeno 2022-06-13.
- ^ „Ilьdar Gabitov: «Biofotonika napravlena kak na izučenie osnov živыh sistem, tak i na prodlenie žizni čeloveka» — vse samoe interesnoe na PostNauke”. postnauka.ru (na jeziku: ruski). Pristupljeno 2023-07-11.
Literatura
uredi- Susanne Liedtke, Jürgen Popp (2006), Laser, Licht und Leben - Techniken in der Medizin (na jeziku: nemački), ISBN 3-527-40636-0
- Jürgen Popp, Marion Strehle (eds.) (2006). Biophotonics - Visions for Better Health Care. ISBN 3-527-40622-0.