En nuestro planeta existen muchas criaturas con sentidos más avanzados que los de los humanos. Las tortugas perciben el campo magnético de la Tierra. Los camarones mantis pueden detectar la luz polarizada. Los elefantes son capaces de 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 las mariposas Papilio xuthus, un equipo de investigadores ha desarrollado un sensor de imágenes capaz de ver en la gama UV inaccesible a los ojos humanos. El diseño del sensor utiliza fotodiodos apilados y nanocristales de perovskita (PNC) capaces de obtener imágenes de distintas longitudes de onda en el rango UV. Utilizando las firmas espectrales de marcadores biomédicos, como los aminoácidos, esta nueva tecnología de imagen es capaz incluso de diferenciar entre células cancerosas y células normales con un 99% de fiabilidad.
Los resultados de la investigación, dirigida por Viktor Gruev, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (UIUC), y Shuming Nie, profesor de Bioingeniería, se han publicado recientemente en la revista Science Advances.
Pequeñas variaciones visibles para las mariposas
“Nos hemos inspirado en el sistema visual de las mariposas, que son capaces de percibir múltiples regiones en el espectro UV, y hemos diseñado una cámara que reproduce esa funcionalidad. Para ello, hemos utilizado novedosos nanocristales de perovskita combinados con tecnología de imagen de silicio, y esta nueva tecnología de cámara puede detectar múltiples regiones UV”, explica Gruev.
La luz ultravioleta es una radiación electromagnética con longitudes de onda más cortas que la luz visible, pero más largas que los rayos X. Estamos más familiarizados con la radiación UV procedente del sol y los peligros que supone para la salud humana. La luz UV se clasifica en tres regiones diferentes —UVA, UVB y UVC— en función de los distintos rangos de longitud de onda. Como los humanos no pueden ver la luz UV, es difícil captar la información UV, sobre todo discernir las pequeñas diferencias entre cada región.
Las mariposas, sin embargo, pueden ver estas pequeñas variaciones en el espectro UV, como los humanos pueden ver los tonos de azul y verde. En este sentido, el Prof. Gruev señala: “Me intriga cómo son capaces de ver esas pequeñas variaciones. La luz ultravioleta es increíblemente difícil de captar, simplemente es absorbida por todo, y las mariposas lo han conseguido extremadamente bien”.
El juego de la imitación
Los seres humanos tienen visión tricromática con tres fotorreceptores, en la que cada color percibido puede proceder 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 concreto, la Papilio xuthus, una mariposa amarilla asiática de cola de golondrina, no solo 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 sus fotorreceptores pueden captar fácilmente. Esto hace que perciban una gama más amplia de colores y detalles en su entorno.
Además del mayor número de fotorreceptores, las mariposas presentan una estructura escalonada única. Para reproducir el mecanismo de detección de la luz ultravioleta de la mariposa Papilio xuthus, el equipo de la UIUC ha emulado el proceso combinando una fina capa de PNC con una matriz escalonada de fotodiodos de silicio.
Nanocristales para detectar longitudes de onda UV
Los PNC son una clase de nanocristales semiconductores que presentan propiedades únicas similares a las de los puntos cuánticos: al cambiar el tamaño y la composición de la partícula, cambian las propiedades de absorción y emisión del material. En los últimos años, los nanocristales de perovskita han surgido como un material interesante para distintas aplicaciones de detección, como las células solares y los LED.
Los PNC son extremadamente útiles para detectar longitudes de onda UV (e incluso inferiores), algo que no ocurre con los detectores de silicio tradicionales. En el nuevo sensor de imágenes, la capa de PNC es capaz de absorber fotones UV y reemitir luz en el espectro visible (verde), que es detectada por los fotodiodos de silicio escalonados. El procesamiento de estas señales permite cartografiar e identificar las firmas UV.
‘Iluminar’ biomarcadores en cáncer
Según recoge esta investigación, existen varios biomarcadores presentes en los tejidos cancerosos en concentraciones más elevadas que en los tejidos sanos: aminoácidos (componentes básicos de las proteínas), proteínas y enzimas. Cuando se excitan con luz UV, estos marcadores se iluminan y emiten fluorescencia en el espectro UV y parte del visible, en un proceso denominado autofluorescencia. “La obtención de imágenes en la región UV ha estado limitada, y yo diría que ha sido el mayor obstáculo para el progreso científico”, explica Nie. “Ahora hemos conseguido esta tecnología, con la que podemos obtener imágenes de la luz ultravioleta con gran sensibilidad y también distinguir pequeñas diferencias de longitud de onda”, agrega.
Dado que las células cancerosas y sanas tienen concentraciones diferentes de marcadores y, por tanto, firmas espectrales distintas, las dos clases de células pueden diferenciarse en función de su fluorescencia en el espectro ultravioleta. Los investigadores evaluaron la capacidad de su nuevo dispositivo para discriminar marcadores relacionados con el cáncer y descubrió que es capaz de distinguir entre células cancerosas y sanas con un 99% de fiabilidad.
Uso en cirugía
Gruev, Nie y su equipo científico prevén utilizar este innovador sensor durante las cirugías, en las que uno de los mayores retos es saber cuánto tejido canceroso extirpar para garantizar márgenes claros. Un sensor de este tipo puede ayudar a facilitar el proceso de toma de decisiones en este tipo de procedimientos.
“Esta nueva tecnología de imagen nos permite diferenciar las células cancerosas de las sanas y abre nuevas y apasionantes aplicaciones más allá de la salud“, afirma el profesor Nie.
Además de las mariposas, hay muchas otras especies capaces de ver en el ultravioleta, y disponer de un modo de detectar esa luz brindará a los biólogos interesantes oportunidades de conocer mejor estas especies, como sus hábitos de caza y apareamiento. Llevar el sensor bajo el agua también puede ayudar a comprender mejor ese entorno. Aunque el agua absorbe gran parte de la luz ultravioleta, la atraviesa lo suficiente como para tener un impacto, y hay muchos animales bajo el agua que también detectan y utilizan la luz ultravioleta.
Referencia:
Cheng Chen et al. ‘Bioinspired, vertically stacked, and perovskite nanocrystal–enhanced CMOS imaging sensors for resolving UV spectral signatures’. Sci. Adv.9. DOI: 10.1126/sciadv.adk3860
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