Diese Garnelen sind unglaublich! Onkologen helfen, Krebszellen deutlich zu „sehen“

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Su Chengyu

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Hier ist eine Fangschreckenkrebse:

Bildquelle: Wikimedia

Das Wichtigste, was wir über die Fangschreckenkrebse wissen, ist, dass sie über blitzschnelle Fäuste verfügen.

Wie schnell ist es? Es ist so schnell, dass es wie eine Feder ist, die zusammengedrückt und wieder losgelassen wird. Es dauert nur 1–2 Millisekunden, um einen Schlag auszuführen. Bei dieser Geschwindigkeit reicht neuronales Feedback nicht aus, um die bereits abgefeuerte Faust zu ändern.

Eine Fangschreckenkrebse schlägt in Zeitlupe zu. Es dauert nur wenige Minuten, um die Schale der Fangschreckenkrebse zu durchbrechen (Bildquelle: Isolophobia)

Doch unser heutiges Thema sind nicht seine Fäuste, sondern seine Augen, die Leben retten können.

Wie können die Augen von Fangschreckenkrebsen Menschen retten? Es klingt ein wenig unverschämt.

Lassen Sie sich Zeit, ich stelle Ihnen zunächst die Augen der Fangschreckenkrebse vor.

Bildquelle: gycat

Fangschreckenkrebse haben nicht nur die schnellsten Fäuste der Welt, sondern auch das komplexeste Sehsystem der Welt. Wie andere Insekten verfügt es über Facettenaugen.

Seine Facettenaugen bestehen aus drei Schichten von Photorezeptorzellen, wobei jede Schicht auf eine andere Wellenlänge des Lichts reagiert. Fangschreckenkrebse verfügen insgesamt über 16 verschiedene Typen von Photorezeptoren, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig empfangen und verarbeiten können. Beachten Sie, dass dies gleichzeitig geschieht.

Die Augen der Fangschreckenkrebse, dPR (dorsale periphere Region) ist die dorsale periphere Region, vPR (ventrale periphere Region) ist die ventrale periphere Region, die beiden sind ungefähr symmetrisch; MB (Mid-Band-Region) ist die mittlere Bandregion

(Bildquelle: Referenz 2)

Drei der Photorezeptoren dienen zur Erkennung von ultraviolettem Licht, neun zur Erkennung von sichtbarem Licht und der Rest zur Erkennung von Infrarotlicht.

Im Vergleich dazu haben Menschen nur Photorezeptoren für drei Farben: Rot, Grün und Blau. Daher ist der Bereich des sichtbaren Lichts beim Menschen viel kleiner als der von Fangschreckenkrebsen.

Diese Photorezeptorzellen können Informationen unabhängig und parallel verarbeiten. Die Ausgabe der Photorezeptorzellen durchläuft keinen Nervenvergleich, und die Farbinformationen werden direkt von der Netzhaut an das Gehirn übertragen.

Dies bedeutet, dass das Gehirn sowohl sichtbares als auch ultraviolettes und infrarotes Licht sehen kann.

Bei Operationen zur Entfernung von Krebsgewebe sind manchmal fluoreszierende Proteine ​​erforderlich, um Krebszellen zu markieren und so die Entfernung von Krebsgewebe zu erleichtern. Dabei wird eine medizinische Kamera verwendet, um das Bild aufzunehmen und in Echtzeit auf dem Operationsmonitor anzuzeigen, um dem Arzt die Operation zu erleichtern.

Krebsgewebe unter Fluoreszenzmarkierung mit sichtbarem Licht (Bildquelle: Nature-Magazin)

Fluoreszierende Proteine ​​werden mit sichtbarem Licht und Nahinfrarotlicht markiert, zwei verschiedenen Wellenlängen des Lichts. Verschiedene Fluoreszenzmarker können unterschiedliche Gewebe kennzeichnen. Einige Teile von Organismen absorbieren und streuen sichtbares Licht besser, während andere Teile nicht sichtbares Licht, einschließlich Nahinfrarotlicht, besser absorbieren und streuen.

Die verwendete Markierungsmethode variiert je nach Lage des Krebsgewebes. Manchmal ist die Situation jedoch komplizierter und es werden zwei fluoreszierende Markierungen gleichzeitig benötigt.

Herkömmliche Videoausrüstung ist derzeit nicht mehr effektiv, da allgemeine Fotoausrüstung entweder sichtbares Licht oder Infrarotlicht erfassen kann. Die „lichtempfindlichen Zellen“ eines Fotogeräts, also seine Sensoren, begrenzen dessen Lichtempfindlichkeitsbereich.

Es ist zu beachten, dass herkömmliche Fotoausrüstungen nicht ohne Sensoren auskommen, die sichtbares Licht und Nahinfrarotlicht verarbeiten können. Bereits 2017 entwickelte ein Hersteller von Fotoausrüstung den weltweit ersten CMOS-Sensor, der sichtbares Licht und Nahinfrarotlicht erfassen kann.

Ein Sensor, der sichtbares und nahinfrarotes Licht erfassen kann (Bildnachweis: tokiox)

Möchte man allerdings gleichzeitig Nahinfrarotlicht und sichtbares Licht auf dem Monitor sehen, reicht dieser Sensor nicht aus. Denn es kann nur zwischen zwei Modi umgeschaltet werden, entweder dem sichtbaren Lichtmodus oder dem Nahinfrarotlichtmodus.

Sie können zwischen den beiden Modi wechseln, um dasselbe Objekt im sichtbaren Licht und im nahen Infrarotlicht zu sehen (Bildquelle: tokiox)

Das Auftauchen unseres Protagonisten, der Fangschreckenkrebse, gab den Wissenschaftlern Inspiration. Dies bietet Chirurgen die Möglichkeit, sowohl sichtbares als auch Nahinfrarotlicht gleichzeitig zu sehen.

Forschungsautor (Bildquelle: Referenz 1)

Steven Blair, ein Doktorand im Labor von Viktor Gruev, entwickelte einen Sensor ähnlich dem von Fangschreckenkrebsen verwendeten, mit drei Schichten lichtempfindlichen Materials. Insgesamt können 6 Lichtwellenfarben wahrgenommen werden: Rot, Grün, Blau und 3 Arten von Nahinfrarotlicht.

Der Clou dabei ist natürlich, dass dieser Sensor, genau wie die Fangschreckenkrebse, über zwei auf der obersten Schicht platzierte Filtermaterialien verfügt und sechs Lichtfarben gleichzeitig und unabhängig voneinander verarbeiten kann.

Auf diese Weise können Chirurgen mithilfe einer Kamera Krebsgewebe, das mit sichtbarem Licht und Nahinfrarotlicht markiert ist, im selben Bild beobachten, was die Arbeit wesentlich bequemer macht.

Forscher testen ihren bionischen Bildgeber (rot markiert) während einer Operation zur Entfernung eines Brustkrebstumors.

(Bildquelle: Mit freundlicher Genehmigung von S. Blair et al., Science Translational Medicine 2021)

Die Natur hat uns endlose Inspiration für unseren technologischen Fortschritt geliefert, von Hochgeschwindigkeitslokomotiven, die Kolibris imitieren, über Haifischhaut-Badeanzüge für Sportler bis hin zu Sonarsystemen, die Delfine imitieren. Bildgebungssysteme, die die komplexen Augen von Fangschreckenkrebsen nachahmen, sind nur eines von vielen Beispielen.

Manche Leute fragten sich früher, welchen Sinn es hat, wilde Tiere zu studieren. Es hat nichts mit uns Menschen zu tun und ist Geldverschwendung.

Ich denke, Sie sollten jetzt verstehen, dass die Natur immer unser bester Lehrer sein wird.

Quellen:

1. Blair S., Garcia M., Davis T. et al. Hexachromatische bioinspirierte Kamera für bildgeführte Krebschirurgie[J]. Science Translational Medicine, 2021, 13(592).

2. Zhang Xu, Jin Weiqi, Qiu Su. Eine Überprüfung der Merkmale der visuellen Bildgebung bei Fangschreckenkrebsen und ihrer bionischen Technologie[J]. Infrarot-Technologie, 2016, 38(2): 89-95.

3. https://www.camgle.com/news/zixun/20170213/6666.html

4. http://tokiox.com/wp/%E3%82%AD%E3%83%A4%E3%83%8E%E3%83%B3%EF%BC%9Acmos%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%B5%E3%83%BC%EF%BD%A 4global-shutter%E6%90%AD%E8%BC%89%EF%BC%9A%E5%8F%AF%E8%A6%96%E5%85%89%EF%BD%A5%E8%BF%91%E8%B5%A4%E5%A4%96/?lang=zh