Ankstyvas vėžio nustatymas ir tikslus jo tipo identifikavimas yra itin svarbūs siekiant pagerinti pacientų išgyvenamumo rodiklius. Nors tradicinė patologija išlieka aukso standartu, ji dažnai reikalauja sudėtingo mėginių paruošimo ir cheminio dažymo.
Moksliniame žurnale PhotoniX publikuotame tyrime Pietryčių universiteto valstybinės milimetrinių bangų laboratorijos ir Pietryčių universiteto ligoninės „Zhongda Hospital“ mokslininkai pristatė naują bežymę (angl. label-free) patikros metodiką.
Tyrėjai sukūrė subterahercinį biosensorių, paremtą fizikos koncepcija, vadinama juostų sulankstymu (angl. band folding). Šis sprendimas leidžia atskirti vėžines ląsteles pagal jų unikalius dielektrinius parametrus.
Iššūkis: mikroskopinių struktūrų jutimas ilgesnėmis bangomis
Subterahercinės bangos (0,1–10 THz) yra patrauklios biomedicininiams matavimams, nes jos yra nejonizuojančios (saugios biologiniams audiniams) ir itin jautrios vandeniui bei biomolekulėms.
Vis dėlto ilgą laiką egzistavo esminis fizikinis apribojimas: subterahercinių bangų ilgis yra gerokai didesnis nei mikrometrinio dydžio ląstelės, kurias reikia tirti. Dėl šio mastelio neatitikimo bangos ir ląstelės sąveika tampa silpna, todėl sudėtinga gauti išsamią informaciją apie ląstelių struktūrą ir būklę.
Sprendimas: „paslėptų režimų“ potencialo atvėrimas
Siekdama įveikti šį apribojimą, profesoriaus Tie Jun Cui vadovaujama komanda pritaikė kietojo kūno fizikoje žinomą supergardelių juostų sulankstymo principą.
Tradiciniai metamaterijų jutikliai dažniausiai veikia tik su keliomis atskiromis rezonansinėmis būsenomis, todėl iš tiriamo objekto gaunamos informacijos kiekis yra ribotas. Tyrėjai suprojektavo korio struktūros supergardelę ir joje įvedė tiksliai sureguliuotus periodinius trikdžius – kitaip tariant, sąmoningai pažeidė struktūros simetriją.
Toks simetrijos „sulaužymas“ veikia kaip raktas, atveriantis didelę paslėptų elektromagnetinių režimų įvairovę. Tai būsenos, kurios įprastai menkai sąveikauja su laisvosios erdvės bangomis, tačiau tokiu būdu jos „perkeliamos“ į spinduliuojančią sritį, kur tampa aptinkamos matavimais.
Autorių teigimu, šis mechanizmas gali sudaryti sąlygas greitai atskirti vėžinių ląstelių fenotipus nuo sveikų atitikmenų. Sukurtasis jutiklis 200–250 GHz diapazone suformuoja vientisą, didelio tankio spektrinį „pirštų atspaudą“, reikšmingai praplečiantį biologinių mėginių tyrimo galimybes.
Eksperimentinis patvirtinimas: skirtingi „dielektriniai pirštų atspaudai“
Metodika buvo patikrinta tiriant tris skirtingas ląstelių grupes: normalias mezenchimines kamienines ląsteles (MSC) ir dvi skirtingo piktybiškumo 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 paaiškinti šiuos skirtumus, tyrėjai pasitelkė histopatologinius tyrimus ir atominės jėgos mikroskopiją. Jie nustatė, kad piktybinėse ląstelėse tankiau sukaupta intraceliulinė biomasė (baltymai, nukleorūgštys ir kt.), o branduoliai, palyginti su normaliomis ląstelėmis, yra padidėję.
Tokia „susigrūdusi“ ląstelės sandara lemia didesnę efektyviąją dielektrinę skvarbą (permitivumą), kuri subteraherciniu jutikliu aptinkama kaip konkrečiam ląstelių tipui būdingas, atpažįstamas signalas.
Ateities perspektyvos
Šis darbas sukuria tiesioginę sąsają tarp mikroskopinio ląstelių patologijos vaizdo ir makroskopinio elektromagnetinio atsako. Siūlomas metodas leidžia greitai, nežymint ir nepažeidžiant mėginio, nustatyti ląstelių fenotipą. Tokia technologija gali tapti pagrindu kuriant naujus diagnostinius sprendimus ankstyvam vėžio nustatymui bei intraoperaciniam audinių būklės įvertinimui.
Remiantis šiuo principu, ateityje būtų galima kurti kompaktiškus subterahercinius biosensorius, integruojamus į klinikinę įrangą: nuo automatizuotų tyrimų stočių patologijos laboratorijose iki realiuoju laiku veikiančių sistemų, naudojamų chirurginių intervencijų metu.
