Hay muchas criaturas en nuestro planeta con sentidos más avanzados que los humanos. Las tortugas pueden sentir el campo magnético de la Tierra. El camarón mantis puede detectar la luz polarizada. Los elefantes pueden oír frecuencias mucho más bajas que los humanos. Las mariposas pueden percibir una gama más amplia de colores, incluida la luz ultravioleta (UV).
Inspirándose en el sistema visual mejorado de la mariposa Papilio xuthus, un equipo de investigadores ha desarrollado un sensor de imágenes capaz de "ver" en el rango UV inaccesible al ojo humano. El diseño del sensor utiliza fotodiodos apilados y nanocristales de perovskita (PNC) capaces de generar imágenes de diferentes longitudes de onda en el rango UV. Utilizando las firmas espectrales de marcadores biomédicos, como los aminoácidos, esta nueva tecnología de imágenes es incluso capaz de diferenciar entre células cancerosas y células normales con un 99 % de confianza.
Esta nueva investigación, dirigida por el profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Viktor Gruev, y el profesor de bioingeniería, Shuming Nie, se publicó recientemente en la revista Science Advances. .
"Nos hemos inspirado en el sistema visual de las mariposas, que son capaces de percibir múltiples regiones en el espectro ultravioleta, y diseñamos una cámara que replica esa funcionalidad", dice Gruev. "Lo hicimos utilizando nuevos nanocristales de perovskita, combinados con tecnología de imágenes de silicio, y esta nueva tecnología de cámara puede detectar múltiples regiones UV".
La luz ultravioleta es una radiación electromagnética con longitudes de onda más cortas que la de la luz visible (pero más largas que los rayos X). Estamos más familiarizados con la radiación ultravioleta del sol y los peligros que plantea para la salud humana. La luz ultravioleta se clasifica en tres regiones diferentes (UVA, UVB y UVC) según diferentes rangos de longitud de onda. Debido a que los humanos no pueden ver la luz ultravioleta, es un desafío capturar la información ultravioleta, especialmente discernir las pequeñas diferencias entre cada región.
Las mariposas, sin embargo, pueden ver estas pequeñas variaciones en el espectro ultravioleta, al igual que los humanos podemos ver tonos de azul y verde. Gruev señala:"Me resulta intrigante cómo pueden ver esas pequeñas variaciones. La luz ultravioleta es increíblemente difícil de capturar, simplemente es absorbida por todo, y las mariposas han logrado hacerlo extremadamente bien".
Los humanos tenemos visión tricromática con tres fotorreceptores, donde cada color percibido puede provenir de una combinación de rojo, verde y azul. Las mariposas, sin embargo, tienen ojos compuestos, con seis (o más) clases de fotorreceptores con distintas sensibilidades espectrales. En particular, Papilio xuthus, una mariposa asiática cola de golondrina amarilla, no sólo tiene receptores azules, verdes y rojos, sino también violetas, ultravioletas y de banda ancha. Además, las mariposas tienen pigmentos fluorescentes que les permiten convertir la luz ultravioleta en luz visible, que luego sus fotorreceptores pueden detectar fácilmente. Esto les permite percibir una gama más amplia de colores y detalles en su entorno.
Más allá del mayor número de fotorreceptores, las mariposas también exhiben una estructura escalonada única en sus fotorreceptores. Para replicar el mecanismo de detección de rayos UV de la mariposa Papilio xuthus, el equipo de UIUC ha emulado el proceso combinando una fina capa de PNC con una serie escalonada de fotodiodos de silicio.
Los PNC son una clase de nanocristales semiconductores que muestran propiedades únicas similares a las de los puntos cuánticos:cambiar el tamaño y la composición de la partícula cambia las propiedades de absorción y emisión del material. En los últimos años, los PNC se han convertido en un material interesante para diferentes aplicaciones de detección, como células solares y LED. Los PNC son extremadamente buenos para detectar longitudes de onda UV (e incluso más bajas) que los detectores de silicio tradicionales no pueden detectar. En el nuevo sensor de imágenes, la capa PNC es capaz de absorber fotones UV y reemitir luz en el espectro visible (verde) que luego es detectada por los fotodiodos de silicio escalonados. El procesamiento de estas señales permite mapear e identificar firmas UV.
Hay varios marcadores biomédicos presentes en los tejidos cancerosos en concentraciones más altas que en los tejidos sanos:aminoácidos (componentes básicos de las proteínas), proteínas y enzimas. Cuando se excitan con luz ultravioleta, estos marcadores se iluminan y emiten fluorescencia en la radiación ultravioleta y en parte del espectro visible, en un proceso llamado autofluorescencia. "La obtención de imágenes en la región ultravioleta ha sido limitada y yo diría que ha sido el mayor obstáculo para lograr avances científicos", explica Nie. "Ahora hemos creado esta tecnología que nos permite obtener imágenes de la luz ultravioleta con alta sensibilidad y también podemos distinguir pequeñas diferencias de longitud de onda".
Debido a que las células cancerosas y sanas tienen diferentes concentraciones de marcadores y, por lo tanto, diferentes firmas espectrales, las dos clases de células se pueden diferenciar en función de su fluorescencia en el espectro UV. El equipo evaluó la capacidad de su dispositivo de imágenes para discriminar marcadores relacionados con el cáncer y descubrió que es capaz de diferenciar entre células cancerosas y sanas con un 99% de confianza.
Gruev, Nie y su equipo de investigación colaborativo prevén poder utilizar este sensor durante la cirugía. Uno de los mayores desafíos es saber cuánto tejido extirpar para garantizar márgenes claros y un sensor de este tipo puede ayudar a facilitar el proceso de toma de decisiones cuando un cirujano extirpa un tumor canceroso.
"Esta nueva tecnología de imágenes nos permite diferenciar las células cancerosas de las sanas y está abriendo nuevas y apasionantes aplicaciones más allá de la salud", afirma Nie. Hay muchas otras especies además de las mariposas capaces de ver en los rayos ultravioleta, y tener una forma de detectar esa luz brindará oportunidades interesantes para que los biólogos aprendan más sobre estas especies, como sus hábitos de caza y apareamiento. Llevar el sensor bajo el agua también puede ayudar a lograr una mayor comprensión de ese entorno. Si bien el agua absorbe una gran cantidad de rayos ultravioleta, todavía hay suficientes que logran atravesarlos para tener un impacto y hay muchos animales bajo el agua que también ven y usan la luz ultravioleta.
Más información: Cheng Chen et al, Sensores de imágenes CMOS bioinspirados, apilados verticalmente y mejorados con nanocristales de perovskita para resolver firmas espectrales UV, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk3860. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3860
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois
