Введение
Спонтанная низкоуровневая эмиссия фотонов из живых тканей. Термин «биофотоника» обозначает сочетание биологии и фотоники, причём фотоника является наукой и технологией генерации, манипулирования и детектирования фотонов – квантовых единиц света. Фотоника связана с электроникой и фотонами. Фотоны играют центральную роль в информационных технологиях, таких как волоконная оптика, подобно тому, как электроны в электронике. Биофотоника также может быть описана как «разработка и применение оптических методов, особенно визуализации, для изучения биологических молекул, клеток и тканей». Одним из главных преимуществ использования оптических методов, составляющих биофотонику, является то, что они сохраняют целостность исследуемых биологических клеток. Поэтому биофотоника стала общепринятым термином для всех техник, связанных с взаимодействием между биологическими объектами и фотонами. Это относится к эмиссии, детектированию, поглощению, отражению, модификации и созданию излучения биомолекулами, клетками, тканями, организмами и биоматериалами. Области применения включают науку о жизни, медицину, сельское хозяйство и экологию. По аналогии с разграничением между «электричеством» и «электроникой», можно провести различие между такими приложениями, как терапия и хирургия, которые используют свет главным образом для передачи энергии, и такими приложениями, как диагностика, которые используют свет для возбуждения вещества и передачи информации оператору. В большинстве случаев термин «биофотоника» относится ко второму типу применения.
The term biophotonics denotes a combination of biology and photonics, with photonics being the science and technology of generation, manipulation, and detection of photons, quantum units of light. Photonics is related to electronics and photons. Photons play a central role in information technologies, such as fiber optics, the way electrons do in electronics. Biophotonics can also be described as the "development and application of optical techniques, particularly imaging, to the study of biological molecules, cells and tissue". One of the main benefits of using the optical techniques which make up biophotonics is that they preserve the integrity of the biological cells being examined. Biophotonics has therefore become the established general term for all techniques that deal with the interaction between biological items and photons. This refers to emission, detection, absorption, reflection, modification, and creation of radiation from biomolecular, cells, tissues, organisms, and biomaterials. Areas of application are life science, medicine, agriculture, and environmental science. Similar to the differentiation between "electric" and "electronics," a difference can be made between applications such as therapy and surgery, which use light mainly to transfer energy, and applications such as diagnostics, which use light to excite matter and to transfer information back to the operator. In most cases, the term biophotonics refers to the latter type of application.
Приложения
Биофотоника – это междисциплинарная область, изучающая взаимодействие электромагнитного излучения с биологическими материалами, включая ткани, клетки, субклеточные структуры и молекулы в живых организмах. Недавние исследования в области биофотоники привели к разработке новых методов клинической диагностики и терапии, применяемых к жидкостям, клеткам и тканям. Эти достижения открывают ученым и врачам возможности для более точной и неинвазивной диагностики сосудистой системы и кровотока, а также для более детального исследования кожных новообразований. Помимо новых диагностических инструментов, прогресс в исследованиях биофотоники позволил создать новые фототермические, фотодинамические и тканевые методы терапии.
Дерматология
Наблюдая за многочисленными и сложными взаимодействиями между светом и биологическими материалами, область биофотоники предлагает уникальный набор диагностических методов, которые могут использовать врачи. Биофотоническая визуализация предоставляет дерматологии единственный неинвазивный метод диагностики рака кожи. Традиционные методы диагностики рака кожи включают визуальный осмотр и биопсию, однако новая методика лазерно-индуцированной флуоресцентной спектроскопии позволяет дерматологам сравнивать спектрограммы кожи пациента со спектрограммами, соответствующими злокачественным тканям. Это обеспечивает врачам более раннюю диагностику и расширяет возможности лечения.
Лазерный микроскальпель
Лазерные микроскальпели сочетают в себе флуоресцентную микроскопию и фемтосекундный лазер, "способный проникать в ткань на глубину до 250 микрометров и воздействовать на отдельные клетки в трехмерном пространстве". Эта технология, запатентованная исследователями из Техасского университета в Остине, позволяет хирургам иссекать пораженные или поврежденные клетки, не затрагивая и не повреждая здоровые окружающие ткани при деликатных операциях, например, на глазах и голосовых связках. Кроме того, исследователи использовали PAM для диагностики эндометриоза у крыс.
Фотодинамическая терапия (ФТ)
Фотодинамическая терапия (ФДТ) использует фотосенсибилизаторы и кислород для вызывания клеточной реакции на свет. Она может применяться для уничтожения раковых клеток, лечения акне и уменьшения рубцов. ФДТ также способна уничтожать бактерии, вирусы и грибки. Эта технология обеспечивает лечение с минимальными или отсутствующими долгосрочными побочными эффектами, менее инвазивна, чем хирургическое вмешательство, и позволяет проводить повторные курсы чаще, чем лучевую терапию. Однако применение терапии ограничено поверхностными и доступными для освещения органами и тканями, что исключает лечение рака глубоко расположенных тканей.
Фототермическая терапия
Фототермальная терапия чаще всего использует наночастицы из благородного металла для преобразования света в тепло. Наночастицы разрабатываются таким образом, чтобы поглощать свет в диапазоне 700–1000 нм, где ткани человеческого тела оптически прозрачны. При воздействии света частицы нагреваются, вызывая повреждение или гибель окружающих клеток посредством гипертермии. Поскольку используемый свет не взаимодействует с тканями напрямую, фототермальная терапия обладает небольшим количеством долгосрочных побочных эффектов и может применяться для лечения рака, расположенного глубоко в организме.
ФРЭТ
Флуоресцентно-резонансная передача энергии, также известная как перенос энергии резонанса Форстера (FRET в обоих случаях), – это процесс, при котором два возбужденных "флуорофора" передают энергию друг другу нерадиационным путем (то есть без испускания фотона). Благодаря тщательному выбору возбуждения этих флуорофоров и регистрации эмиссии, FRET стал одним из наиболее широко используемых методов в биофотонике, предоставляя ученым возможность изучать внутриклеточные среды.
Биофлуоресценция
Биофлуоресценция описывает поглощение ультрафиолетового или видимого света и последующую эмиссию фотонов на более низком энергетическом уровне (возбужденное состояние S1 релаксирует в основное состояние S0) внутренне флуоресцентными белками или синтетическими флуоресцентными молекулами, ковалентно присоединенными к интересующему биомаркеру. Биомаркеры – это молекулы, являющиеся индикаторами заболевания или дистресса, и обычно отслеживаются системно в живом организме, либо с использованием образца ткани ex vivo для микроскопии, либо in vitro: в крови, моче, поте, слюне, интерстициальной жидкости, водянистой влаге глаза или мокроте. Стимулирующий свет возбуждает электрон, повышая его энергию до нестабильного уровня. Эта нестабильность невыгодна, поэтому энергизированный электрон возвращается в стабильное состояние почти сразу после того, как становится нестабильным. Временная задержка между возбуждением и повторной эмиссией, возникающая при возвращении в стабильное основное состояние, приводит к тому, что повторно испускаемый фотон имеет другой цвет (то есть релаксирует до более низкой энергии, и, следовательно, испускаемый фотон имеет более короткую длину волны, как это определяется соотношением Планка-Эйнштейна), чем поглощенный возбуждающий свет. Это возвращение к стабильности соответствует высвобождению избыточной энергии в форме флуоресцентного света. Эта эмиссия света наблюдается только пока возбуждающий свет продолжает обеспечивать фотоны флуоресцентной молекуле и обычно возбуждается синим или зеленым светом, излучая фиолетовый, желтый, оранжевый, зеленый, голубой или красный цвет. Биофлуоресценцию часто путают с другими формами биологического света: биолюминесценцией и биофосфоресценцией.
Биолюминесценция
Биолюминесценция отличается от биофлуоресценции тем, что это естественное возникновение света в результате химических реакций внутри организма, в то время как биофлуоресценция и биофосфоресценция – это поглощение и переизлучение света из окружающей среды.
Биофосфоресценция
Биофосфоресценция, как и биофлуоресценция, требует для возбуждения энергии света определенных длин волн. Отличие заключается в относительной стабильности возбужденного электрона. В отличие от биофлуоресценции, здесь электрон сохраняет стабильность в запрещенном тройном состоянии (с неспаренными спинами), что приводит к более длительной задержке излучения света и, как следствие, к эффекту "свечения в темноте" даже после прекращения воздействия стимулирующего источника света.
Биолазирование
Биолазер – это генерация лазерного света живой клеткой или внутри неё. Визуализация в биофотонике часто использует лазерный свет, а интеграция с биологическими системами рассматривается как перспективное направление для улучшения методов зондирования и визуализации. Биолазеры, как и любые лазеры, требуют трех компонентов: активной среды, оптической структуры обратной связи и источника накачки. В качестве активной среды в различных лазерных структурах можно использовать разнообразные естественно производимые флуоресцентные белки. Создание оптической структуры обратной связи внутри клетки было продемонстрировано с использованием клеточных вакуолей, а также с помощью полностью замкнутых лазерных систем, таких как полимерные микросферы, легированные красителем, или полупроводниковые лазеры на нанодисках.
Источники света
Основными используемыми источниками света являются направленные источники света. Светодиоды и сверхлюминесцентные диоды также играют важную роль. Типичные длины волн, используемые в биофотонике, находятся в диапазоне от 600 нм (видимый свет) до 3000 нм (ближний инфракрасный свет).
Лазеры
Лазеры играют все более важную роль в биофотонике. Их уникальные внутренние свойства, такие как точный выбор длины волны, самый широкий диапазон длин волн, наивысшая фокусируемость и, как следствие, наилучшее спектральное разрешение, высокая мощность и широкий спектр периодов возбуждения, делают их наиболее универсальным источником света для широкого спектра применений. В результате, на рынке сегодня представлено множество различных лазерных технологий от большого числа производителей.
Лазеры твердого состояния
Лазеры твердого состояния – это лазеры, основанные на твердотельных активных средах, таких как кристаллы или стекла, легированные ионами редкоземельных или переходных металлов, или полупроводниковые лазеры. (Хотя полупроводниковые лазеры, безусловно, также являются устройствами твердого состояния, они часто не включаются в понятие «лазеры твердого состояния».) Ионно-легированные твердотельные лазеры (иногда также называемые лазерами на допированных изоляторах) могут быть реализованы в виде объемных лазеров, волоконных лазеров или других типов лазеров с волноводной структурой. Лазеры твердого состояния могут генерировать выходную мощность от нескольких милливатт до (в мощных версиях) многих киловатт.
Лазеры ультрахромные
Многие передовые приложения в биофотонике требуют индивидуально выбираемого света на нескольких длинах волн. Как следствие, был представлен ряд новых лазерных технологий, которым сейчас требуется точное определение. Наиболее распространенной терминологией являются лазеры, генерирующие суперконтинуум, которые одновременно излучают видимый свет в широком спектре. Этот свет затем фильтруется, например, с помощью акустооптических модуляторов (AOM, AOTF) до 1 или 8 различных длин волн. Типичными поставщиками этой технологии были NKT Photonics и Fianium. Недавно компания NKT Photonics приобрела Fianium и осталась основным поставщиком технологии суперконтинуума на рынке. В другом подходе суперконтинуум генерируется в инфракрасном диапазоне, а затем преобразуется в видимый диапазон на одной выбранной длине волны. Этот подход не требует использования AOTF и обеспечивает высокую спектральную чистоту без фонового шума. Поскольку оба подхода имеют большое значение для биофотонике, часто используется обобщенный термин "ультрахромные лазеры".
Просмотренные источники
Перестраиваемые источники предназначены для непрерывного изменения частоты излучаемого света во времени («перестройки»). Обычно они непрерывно сканируют заранее заданный диапазон частот (например, 800 ± 50 нм). Перестраиваемые источники в терагерцовом диапазоне были продемонстрированы. Типичным применением перестраиваемых источников в биофотонике является визуализация с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ).
Источники ТГц
Вибрационная спектроскопия в терагерцовом (THz) диапазоне частот, 0,1–10 THz, – это быстро развивающаяся методика для идентификации биологических молекул и видов. Более 20 лет теоретические исследования предсказывали наличие множественных резонансов в спектрах поглощения (или пропускания) биологических молекул в этом диапазоне. Терагерцовое излучение взаимодействует с низкочастотными внутренними молекулярными колебаниями, возбуждая их.
Источники фотонов
Одиночные фотонные источники – это новые типы источников света, отличные от когерентных источников света (лазеров) и тепловых источников света (например, ламп накаливания и ртутных ламп), излучающие свет в виде отдельных частиц, называемых фотонами.