گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

بیوفوتونیک یک زمینه چند رشته ای است که در آن از فناوری های مبتنی بر نور برای آشکار کردن مکانیسم های بیولوژیکی و تشخیص چندین بیماری همراه با یافتن درمان آنها استفاده می شود. این دوره به معرفی مبانی زیست شناسی و فوتونیک می پردازد و مرتبط ترین و مهم ترین کاربرد را از شیمی، زیست شناسی و پزشکی ارائه می دهد. برای مثال، شامل نحوه شناسایی و شناسایی ویروس‌های جدید (مانند کروناویروس) و نحوه اندازه‌گیری فعالیت‌های عصبی در موش زنده است.

هیچ دانش قبلی خاصی برای گذراندن دوره مورد نیاز نیست. با این حال، دانش اولیه فیزیک نوری مفید خواهد بود.

هفته 1: معرفی بیوفوتونیک

هفته 2: مبانی نور و ماده

هفته سوم: مبانی زیست شناسی

هفته 4: مبانی برهمکنش های نور-ماده در مولکول ها، سلول ها و بافت ها

هفته 5: لیزرهای بیوفوتونیک

هفته 6: تصویربرداری زیستی: اصول و کاربردها

هفته 7: بیوسنسورهای نوری

هفته هشتم: درمان با نور فعال: درمان حرارتی عکس و پویای نور درمانی

هفته نهم: مهندسی بافت با نور

هفته 10: موچین نوری، قیچی و تله

هفته یازدهم: نانوتکنولوژی برای بیو فوتونیک: نانو بیو فوتونیک

هفته دوازدهم: اپتوژنتیک و نوروفوتونیک

به سمت تشخیص سیگنال بهتر in vivo

در نهایت، در نمایشی از تشخیص سیگنال فلورسانس پیشرفته، محققان از یک لوله مویرگی شیشه ای به عنوان پایه ای برای رگ خونی استفاده کردند و آن را با سلول های چربی حاوی میکرولنزهای لیپیدی پوشاندند. آنها هدف میکروسکوپ را در وسط یک میکرولنز لیپیدی خاص متمرکز کردند تا نور تحریک و وسط مویرگ شیشه ای را متمرکز کنند.

سپس، تیم محلولی حاوی سلول‌های خونی و سلول‌های سرطانی برچسب‌گذاری شده با فلورسنت را از طریق مویرگ عبور داد و پرتوی از نور تحریک‌کننده را به میکرولنز لیپیدی منتقل کرد. عدسی لیپیدی ریز نور تحریک را متمرکز می کند و در نتیجه یک سیگنال فلورسانس افزایش یافته و قابل تشخیص در هنگام برخورد پرتو با یک سلول سرطانی برچسب گذاری شده هنگام عبور از لوله ایجاد می کند.

محققان در مطالعه اخیر خود که به تازگی منتشر شده اند، می گویند امیدوارند روش میکرولنز آنها روزی بتواند برای توسعه دستگاه های فوتونی درون زا و همچنین "ابزارهای اپتیک زیست سازگار برای سنجش زیستی، تصویربرداری آندوسکوپی، و تشخیص تک سلولی" استفاده شود.

تصویربرداری از سلول های بیولوژیکی از داخل

محققان چینی و ایتالیایی روشی را برای استفاده از قطرات چربی طبیعی درون سلول‌های چربی به‌عنوان ریز لنز، برای مشاهده و نظارت بر ساختارهای درون سلولی و سیگنال‌های فلورسانس خارج سلولی ایجاد کرده‌اند.

در مقایسه با میکروسکوپ فلورسانس سنتی، تظاهرات تیم نشان داد که تصویربرداری با میکرولنز بیوفتونیک وضوح تصویر و قدرت سیگنال را افزایش می‌دهد در حالی که به نور کمتری نیاز دارد، که می‌تواند به نمونه‌های زنده آسیب برساند و از بین ببرد. محققان امیدوارند که بتوانند روش خود را در تشخیص سرطان، عفونت ویروسی و سایر بیماری‌ها در زمان واقعی مورد استفاده قرار دهند.

تصویربرداری فلورسانس، یا طبیعی

میکروسکوپ فلورسانس معمولاً برای نظارت بر تغییرات درون سلولی و سیگنال های خارج سلولی در زمان واقعی استفاده می شود. با این حال، سیگنال های فلورسانس از ساختارهای درون سلولی به طور کلی ضعیف هستند و تشخیص آنها دشوار است. پمپاژ کردن شدت نور تحریک می تواند قدرت سیگنال فلورسانس را بهبود بخشد - اما همچنین احتمال سمیت نوری و سفید شدن نور را افزایش می دهد.

محققان مؤسسه نانوفوتونیک، دانشگاه جینان، چین، و مؤسسه علوم کاربردی و سیستم‌های هوشمند، ایتالیا، تصمیم گرفتند به دنبال رویکرد طبیعی‌تری برای بهبود تصویربرداری فلورسانس از ساختارهای درون سلولی باشند. آنها استفاده از قطرات لیپید درون زا در سلول های زنده را به عنوان میکرولنزها برای بهبود تصویربرداری به صفر رساندند. از آنجایی که کره های لیپیدی به طور طبیعی وجود دارند، کاملاً زیست سازگار هستند

قبل از آزمایش‌های نمایشی، محققان قطرات لیپید را در سلول‌های چربی بالغ (که معمولاً سلول‌های چربی نامیده می‌شوند) مشخص کردند. قطرات صاف و کروی با قطرهای 0.5 تا 40 میکرومتر و ضریب شکست در حدود 1.52 بودند. عدد دوم بالاتر از شاخص سیتو و پری پلاسم است. که باعث شد قطرات لیپید برای تصویربرداری فلورسانس درون سلولی و برای تشخیص سیگنال های فلورسانس خارج سلولی مناسب باشند.

برای هدایت ریز لنزهای لیپیدی از طریق سیتوپلاسم برای تصویربرداری از ساختارهای مختلف داخل و خارج سلول، محققان دریافتند که موچین های نوری 1064 نانومتری ایده آل هستند و در امتداد قطرات حرکت می کنند و در عین حال کمترین آسیب را به سلول وارد می کنند. راه اندازی آزمایشی برای نمایش میکرولنز شامل یک سیستم موچین نوری اسکن با یک میکروسکوپ نوری معکوس برای تشخیص سیگنال های میدان روشن و فلورسانس بود.

نگاه کردن به داخل و خارج

برای تظاهرات تصویربرداری میدان روشن درون سلولی، ساختارهایی که باید مشاهده شوند در زیر قطره لیپید در سیتوپلاسم قرار گرفتند و به قطره اجازه دادند تا به آرامی بر ساختار فشار بیاورند. در این آزمایش‌های اولیه حالت تماس، محققان دریافتند که این قطرات می‌توانند ویژگی‌های ساختاری را با اندازه ۱۰۰ نانومتر، با سیگنال قوی‌تر و با استفاده از قدرت تحریک قابل‌توجه کمتر در مقایسه با میکروسکوپ فلورسانس سنتی، شناسایی کنند.

این تیم قادر به تصویربرداری و ردیابی در زمان واقعی رشته‌های اکتین نشان‌دار شده با فلورسنت در اسکلت سلولی و همچنین لیزوزوم‌ها و آدنوویروس‌هایی بودند که از طریق سیتوپلاسم مهاجرت می‌کنند، به مدت 10 دقیقه.

برای نشان دادن تشخیص سیگنال فلورسانس خارج سلولی با استفاده از لنزهای لیپیدی، محققان از فاصله کانونی طولانی و ضریب شکست بالای قطرات چربی استفاده کردند. در این حالت غیر تماسی، آنها می‌توانند از میکرولنز لیپیدی برای شناسایی سیگنال‌های فلورسانس در خارج از دیواره سلولی و ریزمحیط و بافت‌های اطراف استفاده کنند. در مطالعات توصیفی با طول موج های خاص نور، آنها دریافتند که فاصله کانونی با افزایش قطر قطرات چربی افزایش می یابد. به عنوان مثال، یک نور تحریکی با طول موج λ = 473 نانومتر که از یک میکرولنز لیپیدی با قطر بیش از 2 میکرومتر عبور می کند، فاصله کانونی بیشتر از 10λ دارد.

بیوفوتونیک با شکوفه ساتری

بیوفوتونیک یک زمینه چند رشته ای است که در آن از فناوری های مبتنی بر نور برای آشکارسازی مکانیسم های بیولوژیکی و تشخیص چندین بیماری همراه با یافتن درمان آنها استفاده می شود. این دوره اصول زیست شناسی و فوتونیک را معرفی می کند و مهمترین و مهمترین کاربرد شیمی ، زیست شناسی و پزشکی را ارائه می دهد. برای مثال ، شامل نحوه تشخیص و شناسایی ویروس های جدید (مانند کروناویروس) و نحوه اندازه گیری فعالیت های عصبی در موش زنده است.

برای گذراندن دوره نیازی به دانش قبلی خاصی نیست. با این حال ، دانش پایه فیزیک نوری مفید خواهد بود.

بیوفوتونیک در بیولوژی بافت

نشانگرهای زیستی و پروب های فلورسنت در زیست شناسی کمی

توالی ژنوم بسیاری از موجودات اکنون کامل شده است. "با این حال ، توالی ژنوم به تنهایی فاقد اطلاعات مکانی و زمانی است و بنابراین به همان اندازه لیست های سرشماری یا فهرست های تلفنی پویا و آموزنده است". ما کلمات کد ژنتیکی را می دانیم ، اما باید هر یک از آنها را به عملکرد خاصی مرتبط کنیم. چالش این قرن این است که بفهمیم پروتئین ها برای ساختن سلول ها و ارگانیسم های زنده چگونه کار می کنند. پروتئین ها برای اکثر فرآیندهای بیولوژیکی ضروری هستند ، اما آنها به سادگی اجسامی با سطوح واکنش شیمیایی نیستند و درک عملکرد آنها آسان نیست. 

بیوفوتونیک در زیست شناسی بافت

بیوفوتونیک یک رشته چند رشته ای در حال توسعه است که شامل تکنیک های مبتنی بر نور است که برای پزشکی و علوم زندگی کاربرد دارد.

از ویژگی های قابل توجه این زمینه تجسم و شناسایی سلول ها و بافت است. این شامل تزریق نشانگرهای فلورسنت ، به سیستم زنده برای پیگیری پویایی سلول و تحویل دارو است.

پیشرفت در تصویربرداری میکروسکوپی

پیشرفت در تصویربرداری میکروسکوپی

تصویربرداری نوری فوق العاده حل شده (به عنوان مثال PALM / STORM ، سیم کارت ، STED)

رویکردهای تصویربرداری حجمی سریع (به عنوان مثال SPIM ، DSLM ، اولترا میکروسکوپی)

میکروسکوپ مولتی فوتون ، تصویربرداری SHG ، THG ، CARS ، SRS ، FWM

اپتیک تطبیقی ، کنترل مکانی و زمانی تحریک 

فن آوری های نوظهور برای خصوصیات سلول و بافت

فن آوری های نوظهور برای خصوصیات سلول و بافت

تصویربرداری و تشخیص فتوترمال

تکنیک های مبتنی بر لکه بینی

تشخیص نور قطبی شده

هولوگرافی و میکرو هولوگرافی

نوری برای ارزیابی بیومکانیکی بافت

نانوپروب ها برای تصویربرداری و تشخیص 

تکنیک های بیوفیزیک

تکنیک های بیوفیزیک - روش هایی که برای کسب اطلاعات در مورد سیستم های بیولوژیکی در سطح اتمی یا مولکولی استفاده می شود. آنها با روش های بسیاری از شاخه های دیگر علوم همپوشانی دارند.

بیوفوتونیک - ترکیبی از زیست شناسی و فوتونیک ، با فوتونیک که علم و فناوری تولید ، دستکاری و تشخیص فوتون ها ، واحدهای کوانتومی نور است. بیوفوتونیک را می توان به عنوان "توسعه و کاربرد تکنیک های نوری ، به ویژه تصویربرداری ، برای مطالعه مولکول های بیولوژیکی ، سلول ها و بافت" توصیف کرد. یکی از مزایای اصلی استفاده از تکنیک های نوری که بیوفوتونیک را تشکیل می دهند این است که یکپارچگی سلول های بیولوژیکی مورد بررسی را حفظ می کنند.