Photonic biosignals: applications
Transkript
Photonic biosignals: measurement, mechanisms and potential applications Michal Cifra Institute of Photonics and Electronics The Czech Academy of Sciences DNA Analýza XII, 11. června 2015 www.ufe.cz Bioelectrodynamics – team members & funding http://bioed.ufe.cz/ Smartbrain, s.r.o. 2015 – 2017 - Radiofrequency characterization of microtubules using micro- and nanosensors 2013 – 2015 - Photonic Biosignals: measurement and characterization 2011 – 2013 - Measurement and analysis of signals from nanostructures 2010 – 2012 – (Postdoc project) Measurement and Analysis of Local Electric Oscillations and Optical Emission of Biomolecular Nanostructures 2 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Bioelectrodynamics research team VISION discover novel paths to future electrodynamic and electronic therapeutic and diagnostic methods in biotechnology and medicine 3 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Bioelectrodynamics research team Microtubule EM properties Radiofrequency biosignals Simulations Sensors Characterization 4 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Measurement Photonic biosignals Models Measurement Applications& hypothesis Bioelectronics Cell signaling Bioelectrodynamics - biomaterial under study BIOMOLECULES ■ amino acids ■ proteins: tubulin ■ protein nanostructures: microtubules CELLS ■ yeast cells (S. cerevisiae and their mutants) ■ tissue cultures (HMVECad, NIH3T3, cancer cells: HL60) ■ blood cells (neutrophils, lymphocytes) ORGANISMS ■ seedlings ■ human 5 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Photonic biosignals: definition ■ optical radiation from biomaterials undergoing oxidative metabolism or oxidative stress ■ wavelength range at least 300 – 700 nm ■ intensity 1-1000 photons cm-2 s-1 ■ synonyma: ■ ultra-weak photon emission ■ weak bio/chemiluminescence ■ biological autoluminescence ■ biophotons ■ photonic biosignals ■ UPE is not photoluminescence (fluorescence/phosphorescence) neither bioluminescence 6 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Photonic biosignals: measurement Object Detector Signal Imaging + spatial resolution + higher quantum efficiency (60 %– 95 %) - signal integration needed > 15 min Photon counting + high temporal resolution - no spatial resolution (but there are 2D PMTs !) - lower quantum efficiency (10 %– 40 %) than CCD camera 7 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Photon generating processes in cells Source of biological photon emission: oxidative and free radical biochemical reactions Chemiluminescence with quantum yield 10-5 -10-6 [A] + [B] → [P*] → [P] + photon Energy level E1 Energy level E0 8 DNA Analýza XII, 11. června 2015 electron - photon Photon generating processes in cells 9 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Photonic biosignals: our results OPTIMIZED MEASUREMENT SYSTEMS QUANTITATIVE MODELS ELECTRON EXCITED SPECIES WAVELENGTH triplet excited carbonyls 350 – 550 nm singlet excited pigments 360 – 560, 680 – 740 nm melanin, chlorofyl triplet excited pigments 870-1000 nm chlorofyl dimolar singlet oxygen 634 nm, 703 nm monomolar singlet oxygen 1270 nm Cifra and Pospíšil: Ultra-weak photon emission from biological samples: Definition, mechanisms, properties, detection and applications. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2014, 139, 2-10 10 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Photonic biosignals: our results CHEMILUMINESCENCE SIGNALS FROM PROTEINS SPECTRAL ANALYSIS Leukemic cells (HL60) tubulin yeast S. Cerevisiae microtubules 11 DNA Analýza XII, 11. června 2015 SIGNAL ANALYSIS OF PHOTON TIME SERIES Photonic biosignals: applications PERSPECTIVE DIAGNOSTICS OF OXIDATIVE PROCESSES AND STRESS ■ non-invasive ■ almost real-time ■ low operation costs ■ label-free AGRICULTURE BIOMEDICINE (DERMATOLOGY) ■ herbicide efficiency testing ■ skin damage diagnostics ■ drought and salt stress evaluation ■ sun lotion testing Cifra and Pospíšil: Ultra-weak photon emission from biological samples: Definition, mechanisms, properties, detection and applications. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2014, 139, 2-10 12 Bioelektrodynamika - Den Světla v ÚFE, 5. června 2015 Photonic biosignals: applications HUMAN MEDICINE CANCER RESEARCH Actively growing tumors -> increased intensity Photo Photonic biosignal intensity IR radiation (3.5 - 5 μm) Kobayashi, Masaki, Daisuke Kikuchi, and Hitoshi Okamura. "Imaging of ultraweak spontaneous photon emission from human body displaying diurnal rhythm." PLoS one 4.7 (2009): e6256. Takeda, Motohiro, et al. "Biophoton detection as a novel technique for cancer imaging." Cancer science 95.8 (2004): 656-661. NEUROSCIENCE Brain slice – photonic biosignal Tang, Rendong, and Jiapei Dai. "Spatiotemporal imaging of glutamate-induced biophotonic activities and transmission in neural circuits." PloS one 9.1 (2014). Van Wijk, Roeland, et al. "Towards whole-body ultra-weak photon counting and imaging with a focus on human beings: A review." Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 139 (2014): 39-46. 13 Biophysical Society - Czech Republic Networking Event, 12th June 2015 Summary PHOTONIC BIOSIGNALS ■ relaxation of chemically excited electron states of bio/molecules generated endogenously in biosystems ■ chemical electron excitation due to oxidative reactions with biomolecules ■ diagnostics of oxidative metabolism and oxidative stress processes 14 DNA Analýza XII, 11. června 2015 Thank you for attention www.ufe.cz www.ufe.cz
Podobné dokumenty
Nabídkový list v PDF
Účast při vytváření světového koordinovaného času UTC ve spolupráci s BIPM, hlášení
atomových stupnic v ČR do BIPM.
Nepřetržité generování etalonových frekvencí s velmi vysokou krátkodobou frek...
Prezentace aplikace PowerPoint - Ústav fotoniky a elektroniky AV
Optické biosenzory
Vláknové lasery a nelineární optika
Výroční zpráva za rok 2014 - Praha
s důrazem na prezentaci mladé generace, včetně studentů a absolventů vysokých škol, pro
něž je každoročně pořádána zmíněná Cena kritiky. Galerie však funguje i s ohledem na
potřeby umělců středního...
výroční zpráva - Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, vvi
elementů a to především v případě oblastí umístěných dále ve směru proudění (Obr. 1b). Výsledky
této studie se mohou uplatnit nejen při zlepšování funkčních vlastností SPR biosenzorů, ale v
jakékol...
iii. letní doktorandské dny 2013 - SAMI
simulacemi.
Simulovaná
a
změřená
frekvenční
charakteristika banky filtrů se liší až o 6 dB. To je oproti simulaci
způsobeno
především
posunutými
frekvenčními
charakteristikami
bikvadratických sekcí...
Přednáška 10
Chemoluminescence, resulting of a chemical reaction
– Electrochemiluminescence, by an electrochemical reaction
Crystalloluminescence, produced during crystallization
Electroluminescence, in respons...
tOp 10 GSVs
Vlasta Šítová & Alexej Šít
C r i n a E n ă c h i o i u & Va l e n t i n E n ă c h i o i u
Peter Halúštok
Peter Garaj & Ing. Pavol Bolješí k & Zuzana Bolješí ková
Miloš Hamar & Andrea Pappová
Irena ...