Ankstyvas vėžio nustatymas ir tikslus jo tipų identifikavimas yra itin svarbūs siekiant pagerinti pacientų išgyvenamumą. Nors tradicinė patologija išlieka aukso standartu, ji dažnai reikalauja sudėtingo mėginių paruošimo ir cheminio dažymo.
Žurnale PhotoniX publikuotame tyrime valstybinės milimetrinių bangų laboratorijos prie Pietryčių universiteto ir Pietryčių universiteto ligoninės „Zhongda Hospital of Southeast University“ mokslininkai pristatė naują bežymę (angl. label-free) patikros metodiką.
Jie sukūrė subtarahercinį biosensorį, paremtą fizikos koncepcija „juostų sulankstymas“ (angl. band folding), kuris leidžia atskirti vėžines ląsteles pagal jų unikalius dielektrinius parametrus.
Iššūkis: mikroskopinių struktūrų jutimas ilgesnėmis bangomis
Subtarahercinės bangos (0,1–10 THz) yra labai patrauklios biomedicininiams matavimams, nes yra nejonizuojančios (saugios biologiniams audiniams) ir itin jautrios vandeniui bei biomolekulėms.
Tačiau ilgą laiką egzistavo esminis fizikinis apribojimas: subtarahercinių bangų ilgis yra gerokai didesnis už mikrometrinio dydžio ląsteles, kurias reikia tirti. Dėl šio neatitikimo sąveika tarp bangos ir ląstelės yra silpna, todėl sudėtinga gauti detalią informaciją apie ląstelių struktūrą ir būklę.
Sprendimas: „paslėptų režimų“ atrakintas potencialas
Siekdama įveikti šį apribojimą, profesoriaus Tie Jun Cui vadovaujama tyrėjų komanda pritaikė kietojo kūno fizikoje žinomą supergardelės juostų sulankstymo principą.
Tradiciniai metamateriniai jutikliai paprastai veikia tik su keliomis atskiromis rezonansinėmis būsenomis, todėl iš tiriamo objekto gaunama informacija yra ribota. Tyrėjai suprojektavo korio struktūros supergardelę ir joje įvedė tiksliai sureguliuotus periodinius trikdžius – kitaip tariant, sąmoningai pažeidė struktūros simetriją.
Toks „simetrijos sulaužymas“ veikia kaip raktas, atrakinantis didelę „paslėptų“ elektromagnetinių režimų – būsenų, kurios įprastai nesąveikauja su laisvosios erdvės bangomis – įvairovę ir „perlenkiantis“ juos į radiacinę sritį, kurioje šias būsenas jau galima užfiksuoti matavimais.
Pasak autorių, šis mechanizmas gali sudaryti sąlygas greitai atskirti įvairius vėžinių ląstelių fenotipus nuo sveikų jų atitikmenų. Sukurtasis jutiklis suformuoja vientisą, didelio tankio spektrinį „pirštų atspaudą“ 200–250 GHz diapazone, reikšmingai padidindamas galimybes tirti biologinius mėginius.
Eksperimentinis patvirtinimas: skirtingi „dielektriniai pirštų atspaudai“
Naujasis metodas buvo patikrintas tiriant tris skirtingas ląstelių rūšis: normalias mezenchimines kamienines ląsteles (MSC) ir dvi skirtingo piktybiškumo laipsnio gimdos kaklelio vėžio ląstelių linijas – „HeLa“ ir „CaSki“.
Eksperimentai parodė, kad jutiklis aiškiai atskiria visas tris ląstelių grupes. Didėjant ląstelių piktybiškumui, sensoriaus fiksuojamuose perdavimo spektruose ryškėjo būdingi poslinkiai. Siekdami pagrįsti šiuos skirtumus, tyrėjai pasitelkė histopatologinius tyrimus ir atominės jėgos mikroskopiją. Jie nustatė, kad piktybinėse ląstelėse yra tankiau sukaupta intraceliulinė biomasė (baltymai, nukleorūgštys ir kt.), taip pat didesni branduoliai, palyginti su normaliomis ląstelėmis.
Tokios tankios, „susigrūdusios“ ląstelių struktūros lemia didesnę efektyviąją dielektrinę skvarbą (permitivumą), kuri subtaraherciniu jutikliu aptinkama kaip unikalus, konkrečiam ląstelių tipui būdingas signalas.
Ateities perspektyvos
Šis darbas užmezga tiesioginę sąsają tarp mikroskopinės ląstelių patologijos ir makroskopinio elektromagnetinio atsako. Siūlomas metodas leidžia greitai, be žymenų ir nepažeidžiant mėginio fenotipuoti ląsteles. Tokia technologija gali tapti pagrindu kuriant naujus diagnostinius įrenginius ankstyvam vėžio nustatymui ir intraoperaciniam audinių būklės įvertinimui.
Remiantis šiuo principu, ateityje būtų galima projektuoti kompaktiškus subtarahercinius biosensorius, integruojamus į klinikinę įrangą – nuo automatizuotų tyrimo stočių patologijos laboratorijose iki realiu laiku veikiančių sistemų chirurginių intervencijų metu.
