بیوفتونیک بالینی و ترجمه

1. تحقیقات بیماری های پیش بالینی: تکنیک ها و کاربردها

عوامل کنتراست مولکولی، پروب ها و گزارشگران

روش های تصویربرداری برای مدل های حیوانی کوچک سرطان و سایر بیماری ها

تصویربرداری نوری از ریزمحیط سرطان، فرآیندها و مسیرها

تصویربرداری مولکولی هدفمند سرطان و روش‌های اعتبارسنجی کمی

تکنیک‌ها و کاربردهای بیولومینسانس برای تحقیقات بیماری

فوتوآکوستیک در تحقیقات بیماری

میکروسکوپ داخل حیاتی برای تحقیقات پیش از بالینی بیماری

مجله بیوفوتونیک

این مطالعه یک معادله انتشار ترکیبی با مدل هارمونیک کروی ساده شده مرتبه سوم را اتخاذ کرد و یک فاکتورسازی جدید حداقل مربعات QR بر اساس الگوریتم کمند برای غلبه بر محدودیت مدل انتشار تک پروتون و امکان تکرار سریع و بازسازی پراکنده دقیق برای لومینسانس اشعه ایکس پیشنهاد کرد. توموگرافی کامپیوتری (XLCT). عملکرد بازسازی برتر از نظر دقت مکان، وضوح فضایی و ایجاد تعادل بین دقت و کارایی را به دست می آورد.

مجله بیوفوتونیک

روشی جدید، سریع و دقیق برای تشخیص لیشمانیوز در سگ ها با استفاده از داده های جذب مادون قرمز سرم خون سگ و هوش مصنوعی ایجاد شد. آزمایش های سنتی معمولاً به دلیل واکنش متقابل با سایر بیماری ها، استفاده از مواد شیمیایی و هزینه بالا، ویژگی کم را نشان می دهند. روش جدید عاری از معرف های شیمیایی، آسان برای رسیدگی، هزینه کم و ویژگی بالا است.

پژوهش بین رشته ای با تیم مهندس شکوفه ساتری

پژوهش بین رشته ای با تیم مهندس شکوفه ساتری

توموگرافی انسجام نوری (OCT) یک تکنیک تصویربرداری تداخل سنجی است که به یک ابزار شناخته شده برای تصویربرداری از بافت عمیق تبدیل شده است. OCT میدان کامل (FF) یکی از انواع آن است که می تواند با استفاده از دوربین برای تشخیص و منبع نور نامنسجم برای روشنایی، تصویربرداری سریع از چهره را با وضوح همسانگرد بالا (<1 میکرومتر در سه بعدی) انجام دهد. چنین سیستمی را می توان با موفقیت در کاربردهای مختلف از تصویربرداری از سیستم عصبی روده تا تصویربرداری از اثر انگشت داخلی استفاده کرد. با این حال، FF-OCT یک تکنیک تصویربرداری حجمی نسبتاً آهسته باقی می‌ماند، زیرا یک نمونه باید به صورت محوری اسکن شود تا داده‌های سه بعدی به دست آید. برای این منظور، دامنه فوریه (FD) FF-OCT معرفی شده است که می تواند با استفاده از یک منبع لیزری قابل تنظیم و یک دوربین فوق سریع، یک حجم سه بعدی را در میلی ثانیه به دست آورد. پیاده‌سازی تصادفی‌سازی فاز در فرآیند گرفتن تصویر با FD-FF-OCT ارائه می‌کند، در نتیجه نویز منسجمی را که عمق تصویربرداری را محدود می‌کند، کاهش می‌دهد. چنین FD-FF-OCT سریع بهینه سازی شده، تصویربرداری از قرنیه و شبکیه چشم انسان را در داخل بدن با وضوح، جزئیات و سرعت بی سابقه ای فعال می کند.

تصویربرداری چندوجهی: تصویربرداری فوتوآکوستیک و موارد دیگر

روش‌های تصویربرداری فراانرژی به طور قابل توجهی برای غلبه بر مشکلات موجود در روش‌های تصویربرداری مرسوم با توجه به وضوح‌های مکانی/زمانی، عمق نفوذ، نسبت سیگنال به نویز، کنتراست و غیره مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در میان این روش‌ها، تصویربرداری فوتوآکوستیک - یک روش ترکیبی نوظهور که می‌تواند جذب نوری درون‌زا و برون‌زا قوی را در تضاد با وضوح فضایی فراصوت بالا ارائه دهد - ضمن حفظ وضوح فضایی، بر محدودیت عمق اساسی غلبه کرده است. وضوح تصویر، و همچنین حداکثر عمق تصویربرداری، با فرکانس اولتراسونیک در دسترس فوتون‌های پراکنده مقیاس‌پذیر است. کیم در مورد سیستم های تصویربرداری فوتوآکوسیتی چندوجهی، چند مقیاسی و چندپارامتری بحث می کند. جدید پردازش تصویر مبتنی بر یادگیری عمیق. نتایج مطالعات بالینی اخیر؛ و تلاش برای تجاری سازی

بزرگترین کنفرانس و نمایشگاه سالانه اپتیک و فوتونیک جهان در ماه ژانویه به مرکز Moscone سانفرانسیسکو باز می گردد.

بزرگترین کنفرانس و نمایشگاه سالانه اپتیک و فوتونیک جهان در ماه ژانویه به مرکز Moscone سانفرانسیسکو باز می گردد.

هر سال، Photonics West آخرین کاربردها، فناوری‌ها و اکتشافات در اپتیک و فوتونیک را با سه کنفرانس بزرگ به نمایش می‌گذارد: BiOS، برجسته کردن تحقیقات جدید در بیوفتونیک، اپتیک زیست‌پزشکی، و کاربردهای تصویربرداری پزشکی. LASE، با تمرکز بر صنعت لیزر و برنامه های کاربردی؛ و OPTO، اپتوالکترونیک، مواد فوتونیک و دستگاه های نوری را پوشش می دهد. علاوه بر این، Quantum West ارائه‌هایی از رهبران صنعت ارائه می‌دهد که برای انتقال فناوری‌های کوانتومی از میزهای پایه به کسب‌وکار تلاش می‌کنند. برنامه امسال Photonics West شامل بیش از 4000 ارائه فنی است.

نمایشگاه BiOS Expo و Photonics West با صدها معرفی محصول، نمایش زنده و فناوری به نمایش درآمده و برای عموم آزاد و رایگان است. نمایشگاه BiOS - دارای جدیدترین فناوری در اپتیک زیست پزشکی و برنامه های مراقبت های بهداشتی - از 22 تا 23 ژانویه باز است. نمایشگاه فوتونیک غرب، 25 تا 27 ژانویه، آخرین نوآوری های اپتیک و فوتونیک را به نمایش می گذارد.

دستکاری نوری: پیشرفت های بیوفوتونیک در قرن بیست و یکم

 پیشرفت های بیوفوتونیک در قرن بیست و یکم

خلاصه

اهمیت: به دام انداختن نوری تکنیکی است که قادر به اعمال نیروهای جزئی است که برای مطالعاتی که مولکول های منفرد تا میکروارگانیسم ها را در بر می گیرد، اعمال شده است. هدف: هدف این دیدگاه برجسته کردن برخی از پیشرفت‌های اصلی در دهه گذشته در این زمینه است که برای مخاطبان زیست پزشکی مناسب است. رویکرد: ابتدا، تعیین مستقیم نیروها در موچین های نوری و ترکیب تله های نوری و صوتی، که امکان مطالعات در مقیاس های طولی مختلف را فراهم می کند، مورد بحث قرار می گیرد. سپس، مروری بر پیشرفت انجام شده در به دام انداختن مستقیم مولکول‌های تک مولکولی و حتی تک ویروسی و سلول‌های منفرد با نیروهای نوری تشریح می‌شود. در نهایت، جهت‌های آتی برای این روش در بیوفوتونیک مورد بحث قرار می‌گیرد. نتایج: در قرن بیست و یکم، دستکاری نوری قابلیت‌های منحصربه‌فرد خود را گسترش داده است و نه تنها امکان مطالعه دقیق‌تر مولکول‌ها و سلول‌های منفرد را فراهم می‌آورد، بلکه سیستم‌های زنده پیچیده‌تری را نیز ممکن می‌سازد، و بینش بیشتری در مورد فعالیت‌های بیولوژیکی مهم به ما می‌دهد. نتیجه‌گیری: نیروهای نوری نقش بزرگی در چشم‌انداز زیست‌پزشکی ایفا کرده‌اند که منجر به پیشرفت‌های بیولوژیکی جدید استثنایی می‌شود. پیشرفت های مستمر در دنیای تله گذاری نوری مطمئناً منجر به بهره برداری بیشتر از جمله آزمایش های هیجان انگیز in-vivo خواهد شد.

1. معرفی

نیمی از جایزه نوبل فیزیک در سال 2018 به آرتور اشکین برای اختراع پیشگامانه موچین های نوری تعلق گرفت. این کمیته به ویژه تأثیر موچین های نوری (و به طور کلی نیروهای نوری) بر زیست شناسی را تشخیص داد. اولین نمایش اشکین از نیروهای نوری در سال 1970 ارائه شد.1 در آن مطالعه، ذرات بی اثر توسط دو پرتو نوری متضاد با تمرکز ملایم، تله دو پرتو متقابل نگه داشته شدند. پیشرفت عمده 16 سال بعد و با ظهور موچین های نوری رخ داد.2 در این تجسم، یک پرتو لیزر متمرکز محکم نیروی کافی برای نگه داشتن یک ذره میکروسکوپی بسیار نزدیک به نقطه کانونی میدان لیزر اعمال می کند.

نیروهای نوری برای دستکاری اجسام از اندازه یک اتم منفرد تا یک سلول یا جنین بزرگ تأثیر زیادی گذاشته اند. وسعت کاربردها قابل توجه است. از دیدگاه فیزیک، به دام انداختن نوری بر درک ما از ماهیت تکانه خطی و زاویه ای نور تأثیر گذاشته است، که برای مطالعات مختلف در میکروسیالات استفاده شده است، به ما امکان می دهد ترمودینامیک غیرتعادلی را کشف کنیم و همچنین در زمینه اپتومکانیک معلق کمک کنیم. هدف از این کار درک عمیق تر از گذار بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی و همچنین توسعه حسگرهای با دقت بالا است.

نور چگونه می تواند نیرو وارد کند؟ نور دارای تکانه است و انتشار نور بین رسانه های مختلف منجر به تغییر در انتشار آن می شود که انتقال تکانه است و بنابراین منجر به نیرو می شود. این برهمکنش ممکن است بسته به اندازه جسم در مقابل طول موج به دام انداختن مورد استفاده، به روش‌های مختلفی توصیف شود. نیروهای نوری مورد استفاده برای محدود کردن ذرات مورد نظر که بسیار بزرگتر از طول موج نور هستند (رژیم Mie) را می توان در این تصویر پرتو نوری در نظر گرفت، در حالی که ذرات بسیار کوچکتر از طول موج به دام انداختن (رژیم ریلی) به عنوان مدل سازی می شوند. دوقطبی های الکتریکی مجزا که به دلیل برهم کنش بین این دوقطبی و میدان الکتریکی نوسانی نور به شدت های زیاد یا کم کشیده می شوند. مزیت تله های نوری نه تنها در اعمال نیرو بلکه در این واقعیت است که را می توان به راحتی اندازه گیری کرد. موچین نوری قابل کالیبره شدن است و به عنوان فنر هوک عمل می کند. در نتیجه نیرو نسبت مستقیمی با جابجایی دارد.

در این دیدگاه، هدف ما پوشش تمام پیشرفت‌ها در به دام انداختن نیست، بلکه برخی از پیشرفت‌های کلیدی این قرن را با تاکید بر 10 سال گذشته، با تمرکز بر موارد مهم برای بیوفتونیک مورد بحث قرار می‌دهیم. این دوره شاهد تثبیت و گسترش قابلیت های موچین های نوری تا حد زیادی بوده است. به ویژه، آنها مطالعه سیستم‌های زنده پیچیده‌تر را ممکن کرده‌اند و درک ما را از فرآیندهای بیولوژیکی اساسی عمیق‌تر کرده‌اند. در ثانیه 2، ما بحث خواهیم کرد که چگونه تعیین مستقیم نیروها در موچین های نوری بر روی اجسام با شکل دلخواه، و در تله های متعدد به طور همزمان، به عنوان یک موضوع مهم ظاهر شده است. سپس به بحث در مورد چندوجهی می‌پردازیم: تله‌ها به طور سنتی با سایر تکنیک‌های نوری ترکیب می‌شوند. به عنوان پیشرفت اخیر، ما استفاده یکپارچه اخیر از تله‌های نوری و صوتی را شرح خواهیم داد که مزایایی از جمله مطالعات در مقیاس‌های طولی مختلف را ارائه می‌دهد. سپس پیشرفت های انجام شده برای محصور شدن در مقیاس بسیار کوچک، در به دام انداختن مستقیم تک مولکول ها و حتی تک ویروس ها با نیروهای نوری را برجسته می کنیم (بخش 3). در ثانیه 4، ما جزئیات استفاده از موچین های نوری را برای به دام انداختن سلول های منفرد با تمرکز بر امکان دستکاری آنها در داخل بدن، از جمله در حیوانات زنده، توضیح می دهیم. در نهایت، ما با پیشنهاد جهت‌های احتمالی آینده برای استفاده از تله‌گذاری نوری در بیوفوتونیک نتیجه‌گیری می‌کنیم.

چالش ها و فرصت های بزرگ در بیوفوتونیک

بیو فوتونیک حوزه علمی در حد فاصل علوم حیات و نور است. این شامل استفاده از نور به عنوان منبع انرژی است که مطالعات بنیادی و پیشرفت های کاربردی در علوم زیستی، دارویی، زیست محیطی و کشاورزی و پزشکی را ممکن می سازد. در حالی که این اصطلاح معاصر است، برخی از اولین تاریخچه های ثبت شده در این زمینه احتمالاً به قرن هفدهم با اولین مشاهدات میکروبی توسط آنتونی ون لیوونهوک با استفاده از عدسی های منفرد برمی گردد (فورد، 1985). در سال 1903، جایزه نوبل در فیزیولوژی یا پزشکی به نیلز رایبر فینسن «به پاس قدردانی از سهم او در درمان بیماری ها، به ویژه لوپوس ولگاریس، با تشعشع نور متمرکز، که به موجب آن او راه جدیدی را برای علم پزشکی گشوده است» اعطا شد. به سرعت به قرن بیست و یکم رسیدیم، جایی که جایزه نوبل در شیمی "برای کشف و توسعه پروتئین فلورسنت سبز"2 در سال 2008، و "برای توسعه میکروسکوپ فلورسانس فوق‌العاده حل شده"3 در سال 2014 اهدا شد. جایزه نوبل در فیزیک در سال 2018 تا حدی به آرتور اشکین "برای موچین های نوری و کاربرد آنها در سیستم های بیولوژیکی" اهدا شد.

در بنیادی‌ترین سطح، ماهیت برهم‌کنش نور با مواد بیولوژیکی و آلی، مبنایی را برای کارهای اساسی و ترجمه‌ای در بیوفوتونیک فراهم می‌کند. این برهمکنش‌ها شامل جذب و پراکندگی فوتون‌ها می‌شود و منجر به توسعه فناوری‌های متنوعی از جمله انواع مختلف روش‌های طیف‌سنجی نوری مانند طیف‌سنجی UV-VIS-IR، طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) و پراکندگی رامان شده است. روش های میکروسکوپی شامل کانفوکال و چند فوتونی، تصویربرداری طول عمر فلورسانس (FLIM) و میکروسکوپ نوری در مقیاس نانو (Hermann and Gordon, 2018)؛ و فناوری‌های تشخیصی و تصویربرداری بالینی مانند پالس اکسیمتری، توموگرافی انسجام نوری (OCT) (هوانگ و همکاران، 1991)، و جراحی با هدایت فلورسانس (Landau et al., 2016).

از جنبه درمانی، لئون گلدمن در استفاده از لیزر در پوست پیشگام بود (گلدمن و همکاران، 1963). بلافاصله پس از آن، کاربردهای بالینی لیزر به چشم پزشکی برای درمان رتینوپاتی دیابتی (L'Esperance، 1969) و درمان فتودینامیک، و اخیراً به فوتوایمونوتراپی گسترش یافت (کوبایاشی و چویک، 2019؛ Xu et al., 2020). نورومدولاسیون نوری شامل اپتوژنتیک و روش‌های تحریک نوری غیر ژنتیکی برای دستکاری نوری فعالیت‌های سلولی و زیر سلولی اخیراً پدیدار شده است (بویدن و همکاران، 2005؛ جیانگ و همکاران، 2019).

علی‌رغم این دستاوردهای چشمگیر و کمک‌های فوق‌العاده به علوم زیستی و پزشکی، چالش‌های مهم و در عین حال فرصت‌های هیجان‌انگیزی در بیوفوتونیک وجود دارد. به طور ذاتی، عمق نفوذ نوری در مواد بیولوژیکی به چند سانتی متر محدود می شود. علاوه بر این، افزایش عمق نفوذ نوری با کاهش وضوح فضایی همراه است. روش‌هایی که می‌توانند عمق نفوذ و وضوح فضایی را افزایش دهند، تأثیر زیادی در کاربردهای نوردرمانی و تصویربرداری نوری خواهند داشت. اندازه‌گیری‌های درون تنی ویژگی‌های نوری می‌تواند به توسعه تشخیص‌های بلادرنگ، درمان‌های هدایت‌شده و ارزیابی مداخلات درمانی منجر شود.

سنجش مولکولی چندگانه و توسعه کاوشگرهای جدید که می توانند حساسیت و ویژگی بالایی را ارائه دهند، عرصه دیگری برای پیشرفت های بیشتر است. دستگاه‌های فشرده و کوچک، و حسگرهای پوشیدنی و کاشتنی برای استفاده در خانه، و در مکان‌های مراقبتی و محدودیت منابع، ارزش بسیار بالایی دارند. همه‌گیری کووید-19 کنونی نیاز به چنین دستگاه‌های کاربردی، ارزان و با کاربری آسانی را نشان می‌دهد که می‌توانند تشخیص‌های سریع و دقیق را ارائه دهند.

فن‌آوری‌های ترانوستیک مبتنی بر نور که با پروفایل‌های مولکولی و ژنومی ادغام شده‌اند، قابلیت‌هایی را برای ترکیب حسی/تشخیصی/تصویربرداری و درمانی بر اساس شخصی فراهم می‌کنند. فن‌آوری‌های فوتونیک نقش مهمی در غربالگری دارو با توان عملیاتی بالا، ردیابی in vivo توزیع زیستی داروها، و واسطه‌گری انتشار موضعی و کنترل‌شده داروها خواهند داشت. درک بهتر پاسخ ایمنی و نقش سلول‌های التهابی مختلف و بیومولکول‌های سیگنال‌دهنده به نور می‌تواند منجر به توسعه روش‌های فوتوتراپی مؤثرتر شود.

پیشرفت در هوش مصنوعی، از جمله یادگیری ماشین، داده کاوی، تجزیه و تحلیل کلان داده، و قدرت محاسباتی فرصت‌هایی را برای تعاملات و ادغام نزدیک‌تر با بیوفتونیک به سمت شناسایی خودکار ویژگی‌ها و الگوها فراهم می‌کند که در غیر این صورت ممکن نیست. چنین فعل و انفعالاتی نیز به طور فزاینده ای برای برنامه های کاربردی در پایش محیطی از جمله ارزیابی تغییرات آب و هوا و حیات دریایی، و در نظارت بر مواد غذایی و کشاورزی برای شناسایی پاتوژن ها و سموم و همچنین ارزیابی خاک و پوشش گیاهی مفید خواهد بود. این مثال‌ها ماهیت چند رشته‌ای بیوفتونیک و فرصت‌های همکاری بین دانشمندان با تخصص‌های مختلف و همچنین

راه حل های فیبر نوری برای دستگاه های پزشکی

مروری مختصر و نمونه هایی از روش هایی را ارائه می دهد که به پذیرش و تکثیر دستگاه های پزشکی مبتنی بر فیبر نوری ادامه می دهند. از جراحی زیبایی گرفته تا حسگری و تصویربرداری پیشرفته، اپتیک همچنان به بهبود استاندارد مراقبت کمک می کند.