فصلنامه لیزر در پزشکی
سال پانزدهم شماره 4 (پیاپی 70، زمستان 1397)

غیرفعال سازی فتودینامیکی ضدمیکروبی (antimicrobial PhotoDynamic Inactivation) aPDI روشی امید بخش برای از بین بردن باکتری های مقاوم به آنتی بیوتیک از طریق تولید گونه های فعال اکسیژن با ترکیب نور و حساسگر نوری است. تاکنون راه های گوناگونی جهت افزایش نفوذپذیری غشای باکتری های گرم منفی و درنتیجه افزایش اثربخشیaPDI  بر آن ها توسعه یافته است. کیتوزان، پلی ساکارید خطی پلی کاتیونی دارای قابلیت ایجاد از هم گسیختگی در ساختار غشای خارجی باکتری های گرم منفی است و می تواند به عنوان افزایش دهنده پتانسیل حساسگر نوری مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین هدف ما در این مطالعه بررسی توانایی کیتوزان در بهبود و افزایش کارآیی aPDI به واسطه متیلن بلو بر روی سلول های پلانکتونی و بیوفیلم باکتری Pseudomonas Aeruginosa بود. در محیط آزمایشگاهی، اثر فتوتوکسیک متیلن بلو به تنهایی (µM 50، دوز نوری J/cm2  47) و به همراه کیتوزان (µg/ml 30) بر روی 5 جدایه بیمارستانی P. aeruginosa مطالعه شد. همچنین اثر فتوتوکسیک متیلن بلو (µM 200) و کیتوزان (µg/ml 1000) با دوز نوری  J/cm2 47 بر روی بیوفیلم این جدایه ها مورد بررسی قرار گرفت. میزان کشندگی aPDI به واسطه متیلن بلو کمتراز یک لگاریتم در تعداد باکتری ها در فرم پلانکتونی و بیوفیلم بود در حالیکه aPDI به واسطه متیلن بلو و کیتوزان منجر به کاهش 5/2 و 15/5 لگاریتم در تعداد باکتری ها به ترتیب در فرم پلانکتونی و بیوفیلم شد. یافته های این مطالعه نشان داد که کیتوزان سبب افزایش کارآیی aPDI به واسطه متیلن بلو علیه باکتری P. aeruginosa در هر دو حالت پلانکتونی و بیوفیلم شد.

بهینه سازی آشکارسازهای نوری به منظور تشخیص سیگنال های بیولوژی با دقت و حساسیت بالا در تشخیص انواع سرطان ها و تومورها برخوردار از اهمیت زیادی است. در این مطالعه یک ساختار بهینه آشکارساز مبتنی بر اثرات پلاسمونیکی در بیوحسگرهای تشخیص سیگنال های ‎سرطان‎ ‎پستان‎ ‎از‎ ‎بافت‎ ‎نرمال مورد بررسی قرار گرفته است. یک ساختار بهینه آشکارساز مبتنی بر اثرات پلاسمونیکی در بیوحسگر تشخیص سیگنال های  ‎سرطان‎ ‎پستان‎ ‎از‎ ‎بافت‎ ‎نرمال‎ پیشنهاد شده است. به منظور بهینه کردن آشکارسازهای تشخیص سرطان پستان، اثرات پلاسمونیک مجموعه از نانوذرات کروی طلا و نقره بر روی زیر لایه سیلیکون در طول موج های مختلف بررسی شده است. خواص اپتیکی شامل ضرایب جذب و فاکتور بهبود برای نانو ذرات طلا و نقره، طیف عبوری و بازتابی میدان های الکتریکی و مغناطیسی در محدوده طول موج لیزر فرودی، تولید پلاسمون پلاریتون سطحی در سطح مشترک نانوذرات نقره و نیم رسانا و نحوه انتشار آن ها درون ماده فعال آشکارساز محاسبه شده است. در نهایت به برهم کنش تابش فرودی با پلاسمون های جایگزیده در حالت تشدید و انتشار پلاسمون پلاریتون های سطحی در طول موج های مختلف به صورت جذب در ماده فعال سیلیکونی پرداخته شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد افزودن نانوذرات پلاسمونیک باعث افزایش 50 درصدی توان جذب شده در مقایسه با آشکارسازهای متداول می گردد. این مطالعه نشان می دهد برای بهینه سازی توان جذب شده به منظور آشکارسازی تشخیص‎ ‎سرطان‎ ‎پستان‎ ‎از‎ ‎بافت‎ ‎نرمال‎ باید ساختار متناوبی با دوره تناوب 9 نانوذرات از جنس نقره و شعاع آن ها در محدوده 75 نانو متر انتخاب شود.

در سال های اخیر توجه زیادی به فناوری بلورهای فوتونیکی معطوف شده است. امکان ساخت حسگرهای با حساسیت بالا از مهم ترین کاربردهای بلورهای فوتونیکی در شاخه پزشکی است. افزون بر این، تولید کم هزینه زیست حسگرهای بلور فوتونیکی از دیگر مزایای آن ها به شمار می رود. از دیگر سو، گذار بین حالت های جایگزیده و ناجایگزیده از موضوع های مورد علاقه در سال های اخیر بوده است. مطالعه حاضر گذار بین این حالت ها را برای یک بلور فوتونیکی غیر متناوب مورد مطالعه قرار می دهد. هدف از انجام مطالعه، بررسی امکان جایگزیدگی نور در چنین بلورهایی است. بدین منظور مدل تنگ-بست یک بعدی با در نظرگرفتن جهش فوتون به دومین همسایگی نزدیک در نظر گرفته می شود. نتایج حاصل از نظریه جایگزیدگی بیانگر این است که برای ثابت جهش صفر، فوتون جایگزیده می باشد و با افزایش مقدار ثابت جهش به همسایه دوم، طول جایگزیدگی فوتون افزایش می یابد و تابع موج فوتون گسترده می شود. در مقابل، مشاهدات حاصل از نظریه آشوب کوانتومی نشان می دهد که برای ثابت جهش صفر، تابع توزیع نسبت فاصله ترازی متوالی از تابع توزیع پواسونی تبعیت می کند و با افزایش مقدار ثابت جهش به سمت تابع توزیع ویگنر-دایسون میل می نماید در نتیجه در حالت گسترده، افت و خیز ترازهای انرژی با آمار آنسامبل جی ا ئی توصیف می شود. مطالعه رفتار الکتریکی ساختارهای بلوری دارای نقص در قالب نظریه جایگزیدگی اندرسون ممکن است. در مطالعه حاضر نیز با اساس قرار دادن این نظریه از روش ماتریس انتقال و طول جایگزیدگی به منظور بررسی رفتار جایگزیده فوتون در بلور فوتونیکی غیرمتناوب یک بعدی بهره می گیریم. در پژوهش حاضر، طول جایگزیدگی توابع موج فوتونی به ازای مقادیر متفاوت انرژی و در حضور احتمال جهش به همسایه دوم با شدت های متفاوت محاسبه شد. مطالعه حاضر که برمبنای تعمیم مدل تنگ-بست انجام گرفته است، نشان می دهد در گستره خاصی از انرژی می توانیم شاهد گذار بین حالت های جایگزیده و ناجایگزیده باشیم و در نتیجه بلور فوتونیکی مورد مطالعه قابلیت انتقال فوتون را خواهد داشت. در پژوهش حاضر امکان جایگزیدگی فوتون در یک بلور فوتونیکی غیرمتناوب یک بعدی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج به دست آمده نشان می دهد در شرایط خاصی می توان شاهد گذار بین حالت های گسترده و جایگزیده بود که همین موضوع اتفاق امیدوارکننده ای در حوزه ساخت نانوابزارهای فوتونیکی به منظور کاربرد در حوزه پزشکی می باشد.

روش پراکندگی رامان ارتقاء یافته سطحی (SERS) یکی از روش های کارآمد برای شناسایی مقادیر اندک و حتی شناسایی تک مولکول است. با قرار گرفتن گونه های مختلف در نزدیکی سطح فلز و یا جذب فیزیکی گونه ها به نانوساختارهای فلزی، به علت برهم کنش گونه ها و پلاسمون های سطحی فلز، شدت سیگنال رامان افزایش می یابد. از طرفی باکتری سالمونلا در بسیاری از مواد غذایی یافت می شود و به راحتی می تواند رشد کند که شناسایی این باکتری در صنایع غذایی و کشاورزی مورد توجه است که برای شناسایی این باکتری می توان استفاده از تکنیک SERS را پیشنهاد کرد. در این پژوهش، نانوذرات نقره به روش شیمیایی و با استفاده از عامل کاهنده ساکاروز ساخته شدند، سپس با به کارگیری روش چرخشی و نشست نانوذرات نقره روی بستر های شیشه ای، بسترهای پلاسمونیکی ساخته شدند. با استفاده از بسترهای پلاسمونیکی و طیف سنجی رامان که تکنیکی غیرمخرب است، آشکارسازی باکتری سالمونلا انجام شد. با استفاده از آنالیزهای طیف سنجی فرابنفش-مرئی (UV-Vis)، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، مشخصه های بستر های پلاسمونیکی بررسی شدند و به عنوان حسگر زیستی پراکندگی رامان ارتقاء یافته سطحی (SERS) مورد استفاده قرار گرفتند. استفاده از بستر پلاسمونیکی سبب می شود که به دلیل تشدید پلاسمون های سطحی نانوجزایر نقره و پراکندگی نور از جزایر نقره میکرومتری، ارتعاش های مولکولی باکتری سالمونلا تقویت شوند بنابراین شدت قله های ارتعاش های مولکولی طیف SERS باکتری سالمونلا نسبت به طیف رامان آن که از حکاکی باکتری روی بستر شیشه ای به دست می آید، قوی تر است. بسترهای پلاسمونیکی معرفی شده می تواند به تشخیص کم هزینه و زود هنگام بیماری های ناشی از باکتری سالمونلا و پاتوژن های موجود در مواد غذایی کمک کند. از آن جایی که نقره به دلیل تشدید پلاسمون های سطحی و پراکندگی نور، سیگنال رامان حاصل از مولکول های مختلف را بهبود می دهد، بستر های پلاسمونیکی به عنوان بستر فعال در طیف سنجی ارتقاء یافته سطحی (SERS) برای آشکارسازی غلظت های مختلف باکتری سالمونلا به کارگرفته شدند. با استفاده از بسترهای پلاسمونیکی که متشکل از نانوجزایر و جزایر میکرومتری نقره هستند می توان از اثر تشدید پلاسمون های سطحی و اثر پراکندگی نور به طور هم زمان استفاده کرد و سیگنال رامان باکتری سالمونلا را افزایش داد. با کاهش غلظت باکتری، سیگنال های SERS نیز کاهش می یابند. برخلاف رامان باکتری هایی که روی بستر غیرپلاسمونیکی شیشه قرار دارند در بسترهای پلاسمونیکی، با کاهش غلظت باکتری، شدت قله های ارتعاش های مولکولی سالمونلا هنوز هم از شدت قابل ملاحظه ای برخوردار است که نتیجه تحریک ارتعاش های مولکولی به وسیله پلاسمون های سطحی و پراکندگی نور از بستر پلاسمونیک است و می توان باکتری سالمونلا تا غلظت 102 cfu mL-1 را شناسایی کرد هرچند این بسترهای پلاسمونیکی توانایی شناسایی تک مولکول را ندارد که برای انجام این کار باید از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده کرد که هزینه ها را افزایش می دهد.

در دهه گذشته نگاه ویژه ای به تصویر برداری نوری به خصوص فلورسانس شده است. در جراحی تومور، برداشتن حاشیه مناسب یک عامل مهم در بهبود سرطان محسوب می شود. تصویر برداری فلورسانس امکان برداشتن تومور با تعیین مرز مناسب در حین جراحی را به جراح می دهد. در روش تصویر برداری فلورسنت با استفاده از سلول های بیان کننده GFP مثبت، به هنگام جراحی به صورت همزمان کمترین بافت سالم از بدن بیمار جدا می شود. در این مقاله استفاده از تصویر برداری نوری برای هدایت و تصمیم گیری حین جراحی بررسی شده است. برای تعیین مرز تومور سلول های بیان کننده  GFP مثبت به 10 موش تزریق شد و تصویر برداری و جراحی بر روی هر موش صورت گرفت و حاشیه تومورها برای بررسی به پاتولوژی فرستاده شد. جراحی با کمک تصویر برداری نوری یک ابزار قدرتمند برای مراقبت های جراحی و درمان سرطان می باشد. از طرفی سلول های بیان کننده  GFP مثبت به عنوان یک ماده حاجب غیر هدفمند برای تعیین مرز تومور مناسب می باشد.


پیشرفت های قابل توجه در استراتژی های تصویربرداری نوری در زمان واقعی برای تشخیص تومور حین جراحی و ارزیابی حاشیه به دست آمده است. تصویربرداری نوری برای دستیابی به بالاترین درصد حاشیه جراحی منفی و در تشخیص زود هنگام متاستازها در دهه آینده حرف های زیادی برای گفتن دارد.