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

موچین های نوری و کاربرد آنها در سیستم های بیولوژیکی