اخبار اپتیک و فوتونیک

شماره ویژه دسامبر سالانه اخبار اپتیک و فوتونیک که 30 نتیجه جالب و هیجان انگیز تحقیقات اپتیک بررسی شده را که در 12 ماه گذشته ظاهر شده اند را برجسته می کند. در 20 نوامبر در سایت جستجو کنید

پژوهش بین رشته ای با تیم مهندس شکوفه ساتری

پژوهش بین رشته ای با تیم مهندس شکوفه ساتری

اپتیک و فوتونیک مطالعه خواص اساسی نور

اپتیک و فوتونیک

اپتیک و فوتونیک مطالعه خواص اساسی نور و مهار آنها در کاربردهای عملی است. اپتیک و فوتونیک کل طیف الکترومغناطیسی را از پرتوهای پرانرژی گاما و اشعه ایکس، از طریق رژیم نوری نور ماوراء بنفش، مرئی و مادون قرمز تا امواج مایکروویو و امواج رادیویی با طول موج بلند پوشش می دهد.

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

آناتومی و فیزیولوژی با شکوفه ساتری

آناتومی و فیزیولوژی

بشر از دیرباز درباره نحوه کار همه چیز کنجکاو بوده است و این کنجکاوی شامل تعجب در مورد نحوه عملکرد خود ما است. زمینه های آناتومی و فیزیولوژی شامل مطالعه ساختار بدن و نحوه عملکرد این ساختارها و بدن ها است.

گروه آموزشی شکوفه ساتری

بیوفوتونیک با شکوفه ساتری

کنترل CRISPR

کنترل CRISPR

رویکردهای مبتنی بر نور برای هدایت CRISPR-Cas9 ، ابزار قدرتمند ویرایش ژنوم برنده جایزه نوبل ، وعده افزایش دقت و ویژگی این تکنیک را می دهد-و ممکن است به کاربرد بالینی آن کمک کند.

در اوایل سال 2011 ، دو دانشمند در خیابان های سنگ فرش قدیمی سن خوان ، منطقه تاریخی پایتخت پورتوریکو قدم زدند. این زوج به تازگی توسط یکی از همکاران خود در کنفرانس میکروبیولوژی معرفی شده اند ، به زودی در مورد پروتئین اسرار آمیزی به نام Csn1 وارد گفتگو شدند. این پروتئین به باکتری ها برای دفاع در برابر ویروس ها کمک کرد ، اما نحوه عملکرد آن مشخص نیست. برخی گمان می کردند که مانند قیچی ژنتیکی عمل می کند و DNA ویروسی مهاجم را قطع کرده و تهدید را خنثی می کند. اما هنوز کسی آن را نشان نداده است.

این دو دانشمند - جنیفر دودنا ، مستقر در کالیفرنیا و امانوئل شارپانتیه ، کار در سوئد - به دنبال کشف عملکردهای داخلی Csn1 و نقش آن در سیستم ایمنی بزرگتر باکتری ها بودند. آنها دریافتند که این پروتئین در واقع مواد ژنتیکی خارجی را جدا کرده و ثابت کرده است که می تواند بخشی از یک تکنیک فوق العاده قدرتمند و همه کاره برای برش DNA در هر مکان مورد نظر در ژنوم باشد.

همکاری از راه دور دوودنا و شارپانتیه در Csn1-که امروزه به عنوان Cas9 شناخته می شود-منجر به کشف برنده جایزه نوبل شد که تاثیر آن در بزرگترین پیشرفت های زیست پزشکی تاریخ رقبای خود است. در کنار ابزارهایی مانند تعیین توالی DNA و واکنش زنجیره ای پلیمراز ، بشریت اکنون CRISPR-Cas9 را در اختیار دارد ، یک تکنیک ویرایش ژنوم که به محققان اجازه می دهد DNA ارگانیسم ها را به دلخواه تغییر دهند.

در حالی که سیستم CRISPR -Cas9 قبلاً به نتایج انقلابی دست یافته است ، نحوه کنترل عملکرد آن در محیط های بیولوژیکی و در نهایت بالینی یک پرسش بزرگ باقی مانده است. و به طور فزاینده ای ، محققان از استفاده از نور به عنوان سوئیچ کنترل-برای روشن و خاموش کردن ویرایش ژنوم ، برای کاهش احتمال اثرات خارج از هدف و قرار دادن CRISPR-Cas9 در محل دقیق استفاده می کنند.

"به طور کلی ، ما CRISPR -Cas9 را برای ترمیم یا ویرایش ژن های خاص بدون هیچ گونه کنترل ارائه می دهیم. هنگامی که این درمان را به طور سیستماتیک انجام دهید ، در همه جای بدن پخش می شود. "یوان پینگ ، استاد علوم دارویی در دانشگاه ژجیانگ ، چین می گوید. اما اگر شما مستقیماً به کبد نور بدهید ، ویرایش ژنوم فقط در آنجا اتفاق می افتد. در عصر پزشکی دقیق ، من فکر می کنم که نور می تواند این فرصت را برای ارائه دقت به مراقبت های بهداشتی در آینده فراهم کند. "

نیروگاه ویرایش ژنوم

همانطور که از نامش پیداست ، سیستم CRISPR -Cas9 دارای دو جزء است که در اصل به عنوان بخشی از یک سیستم ایمنی ساده در باکتری E. coli کشف شده است. CRISPR - مخفف کلمه "به طور مرتب تکرارهای کوتاه پالیندرومیک متقاطع" - قطعات کوچکی از مواد ژنتیکی ویروسی را تشکیل می دهد که باکتری در DNA خود برای تشخیص مزاحمان ویروسی جاسازی می کند. Cas9 آنزیمی است که در سیستم برای قطع و غیرفعال کردن DNA در ویروس هایی که به این ترتیب شناسایی می شوند ، استفاده می شود. ("Cas" در Cas9 مخفف "پروتئین مرتبط با CRISPR" است.)

در سیستم باکتریایی ، بخش CRISPR ژنوم ، که حاوی مواد تعبیه شده در DNA باکتری پس از برخورد ویروسی قبلی است ، به یک مولکول RNA بلند و تک رشته ای رونویسی می شود. سپس RNA های کوتاهی موسوم به RNA های CRISPR فعال کننده trans (tracrRNA) ایجاد می شوند که در توالی های تکراری مانند قطعات پازل قرار می گیرند و به آنزیم Cas9 گره خورده اند.

RNA طولانی تر که در اصل از بخش DNA CRISPR رونویسی شده است ، سپس توسط یک آنزیم متفاوت به بخش هایی تقسیم می شود-به اصطلاح RNA های CRISPR (CRRNA)-که حاوی اطلاعات ژنتیکی مورد نیاز برای شناسایی هر ویروس منحصر به فرد کد شده در بخش CRISPR است. هنگامی که یکی از CRRNA های جداگانه در ناحیه ای از DNA ویروسی قرار می گیرد ، که نشان دهنده حمله ویروس ورودی است ، tracrRNA و Cas9 با هم کار می کنند تا DNA ویروسی را شناسایی و خرد کرده و مواد ژنتیکی مهاجم را در مسیر خود متوقف کنند.

دودنا و شارپانتیه با ترکیب CRRNA و tracrRNA در یک مولکول واحد ، که آنها را RNA راهنما نامیدند ، سیستم طبیعی باکتری ها را ساده کردند. این به دانشمندان اجازه داد تا یک RNA راهنما ایجاد کنند که با هر قسمتی از DNA که در آن باید دو رشته ایجاد شود مطابقت داشته باشد-در اصل ، در هر موجودی. برش در هر مکان دلخواه درون ژنوم به این معنی است که حذف ژنهای قدیمی و درج ژنهای جدید را می توان به راحتی انجام داد. (نحوه عملکرد ویرایش CRISPR -Cas9 را در زیر مشاهده کنید.)

فراتر از Cas9: RNA ها و پروتئین های ضد CRISPR

تعداد انگشت شماری از گروه های تحقیقاتی به بررسی کنترل های مبتنی بر نور برای سایر قسمت های سیستم CRISPR-Cas9 پرداخته اند. در سال 2020 ، دیترز و همکارانش روش فتوکیمیایی نوری خود را بر روی جزء RNA راهنمای سیستم اعمال کردند. این تیم دریافتند که قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش 365 نانومتری باعث ویرایش ژنوم با ویژگی مکانی و زمانی بالا در سلول های پستانداران و جنین گورخرماهی می شود.

در سال 2019 ، آزمایشگاه سین کیینگ تانگ ، استاد علوم داروسازی در دانشگاه پکن ، چین ، یک CRRNA فتوکپی شده را با پیوند دادن آن به یک مولکول ویتامین E طراحی و ساخت که به طور قابل توجهی از برش DNA جلوگیری می کند. پس از چند دقیقه تابش 365 نانومتری ، مولکول ویتامین E و پیوند دهنده عکس به طور کامل از crRNA جدا شده و به فعالیت عادی CRISPR-Cas9 اجازه می دهد.

نیوپک و همکارانش با طی مسیری کمتر متعارف ، توجه خود را به پروتئین های موجود در باکتریوفاژها معطوف کردند که به عنوان عوامل ضد دفاع در برابر سیستم ایمنی باکتری عمل می کنند. آزمایشگاه او پیشگام این روش بینایی زایی منحصر به فرد در سال 2018 بود و به منظور تطبیق پذیری بیشتر و سهولت استفاده ، به اصلاح آن ادامه می دهد.

نیوپک می گوید: "ما در واقع به سیستم های طبیعی فکر می کردیم که فعالیت CRISPR-Cas را مختل یا کنترل می کنند ، و معلوم می شود که یک کلاس بسیار جالب از پروتئین ها به نام anti-CRISPR وجود دارد." "آنچه ما در حال بررسی آن هستیم این است که آیا می توانیم این پروتئین های ضد CRISPR را با نور کنترل کنیم."

آینده کنترل نوری

در حالی که این مطالعات چشم انداز ویرایش ژنوم درمانی را در نظر می گیرند ، اکثر متخصصان در نهایت کنترل نوری CRISPR -Cas9 را بیشترین تأثیر را به عنوان یک ابزار تحقیق می دانند. در حال حاضر ، CRISPR-Cas9 و انواع آن مزایایی نسبت به سایر تکنیک های ویرایش ژنوم برای ایجاد خطوط سلولی و ارگانیسم های اصلاح شده ژنتیکی ، بازجویی عملکرد ژن پویا و سایر برنامه های تحقیقات زیست پزشکی نشان داده اند. کنترل مشروط با نور فقط باید آن افق ها را گسترش دهد.

امکان ارائه ژن درمانی ایمن تر با استفاده از اپتیک دور از ذهن نیست ، اگرچه روشهای ساده تری برای محدود کردن اثرات خارج از هدف در حال آزمایش است که احتمالاً ابتدا به کلینیک می رسد. به عنوان مثال ، چندین نوع مهندسی Cas9 توسعه داده شده است که منجر به افزایش ویژگی و تمایز DNA مورد نظر می شود.

با این حال ، کنترل نوری با موفقیت مدت زمان فعالیت Cas9 را کوتاه می کند ، که باید اثرات خارج از هدف را کاهش دهد. و nanoCRISPR و روشهای دیگر ویرایش غیر اختصاصی را در سایتهایی با بیشترین پتانسیل برای فعالیت خارج از هدف به حداقل رسانده اند. با این وجود ، مطالعات بیشتری برای تعیین اینکه آیا کنترل نوری اثرات خارج از هدف را در سطح کل ژنوم کاهش می دهد یا خیر ، و بر نگرانی های احتمالی ایمنی و عوارض جانبی غلبه می کند.

با این حال ، به نظر می رسد که کنترل مبتنی بر نور به عنوان بخشی از جعبه ابزار CRISPR-Cas9 باقی مانده است. تانگ می گوید: "من به آینده کنترل نوری CRISPR خوشبین هستم." "حداقل ، می تواند یک ابزار قدرتمند در تحقیقات بیولوژیکی باشد. علاوه بر این ، اگر بتوانیم مشکل طول موج تابش نور و بهبود کارایی ویرایش ژن CRISPR را به طور کلی حل کنیم ، می توان در عمل پزشکی از آن استفاده کرد. "

کنفرانس بین المللی بیوفوتونیک و اپتیک زیست پزشکی (ICBBO)

تکنیک های نوری پیشرفته برای پزشکی بالینی

مواد زیستی برای فوتونیک

طیف سنجی پزشکی ، میکروسکوپ ، تصویربرداری ، آندوسکوپی

تعامل نور با بافت و سلول ها

نانو بیوفوتونیک

Neuro - Photonics

پیشرفت جدید در جراحی لیزر

سیستم های جدید تحویل دارو

حسگرهای زیستی نوری

تصویربرداری مولکولی نوری

تمیز کردن بافت نوری

فوتون درمانی ، تشخیص و تجهیزات

فوتونیک در درمان سرطان

فوتونیک در دندانپزشکی

زیست شناسی کوانتومی

کنفرانس بیوفوتونیک

در تاریخ ۲۶ آبان ۱۴۰۰ تا ۲۸ آبان ۱۴۰۰ توسط در شهر تبریز برگزار خواهد شد.با توجه به اینکه این همایش به صورت رسمی برگزار می گردد، کلیه مقالات این کنفرانس در پایگاه سیویلیکا و نیز کنسرسیوم محتوای ملی نمایه خواهد شد و شما می توانید با اطمینان کامل، مقالات خود را در این همایش ارائه نموده و از امتیازات علمی ارائه مقاله کنفرانس با دریافت گواهی کنفرانس استفاده نمایید.

Conference Topics:

Advanced Optical Techniques for Clinical Medicine
Biomaterials for Photonics
Biomedical Spectroscopy, Microscopy, Imaging, Endoscopy
Interaction of Light with Tissue and Cells
Nano Biophotonics
Neuro – Photonics
New Development in Laser Surgery
New Drug Delivery Systems
Optical Biosensors
Optical Molecular Imaging
Optical Tissue Cleaning
Photon Therapy, Diagnosis, and Equipment
Photonics in Cancer Treatment
Photonics in Dentistry
Quantum Biology