Wij mensen hebben eigenlijk maar gebrekkige zintuigen als je het vergelijkt met andere dieren. Zo kunnen honden veel beter ruiken, voelen sommige vogels het magnetisch veld van de Aarde en kunnen vlinders veel meer kleuren waarnemen, waaronder uv-licht. En juist met dat laatste kunnen ze ons helpen om kanker op te sporen.
Geïnspireerd door de bijzondere eigenschappen van de Papilio xuthus-vlinder hebben wetenschappers een beeldsensor ontwikkeld, die uv-licht kan ‘zien’ dat het menselijk oog onmogelijk kan waarnemen. De sensor werkt met behulp van fotodioden en perovskiet-nanokristallen – waarover later meer – die in staat zijn om verschillende golflengtes van uv-licht waar te nemen. Bepaalde biomedische markers, die in kankercellen meer voorkomen dan in gezonde cellen, kunnen daarmee worden gedetecteerd. Zo lukt het de sensor om met 99 procent zekerheid het verschil zien tussen kankercellen en normale cellen.
Drie soorten uv-licht
Uv-licht is elektromagnetische straling met golflengtes die korter zijn dan zichtbaar licht, maar langer dan röntgenstraling. We kennen het natuurlijk vooral als het schadelijke deel van zonnestralen, maar er zijn drie soorten uv-licht, gebaseerd op verschillende golflengtes: uva, uvb en uvc.
Wij mensen kunnen uv-licht niet zien, laat staan de verschillen tussen de drie typen. Vlinders kunnen deze kleine variaties in het uv-spectrum echter wel waarnemen. “Het is intrigerend hoe ze zulke kleine verschillen kunnen zien. Uv-licht is ongelooflijk moeilijk op te vangen, het wordt gewoon door alles geabsorbeerd en vlinders zijn in staat om dat wel extreem goed te doen”, vertelt professor Viktor Gruev van de University of Illinois.
Zes in plaats van drie fotoreceptoren
Het is het aantal fotoreceptoren, oftewel lichtgevoelige cellen, dat vlinders zo goed maakt in het waarnemen van uv-licht: mensen hebben er drie – voor rood, groen en blauw – vlinders minstens zes. Zo heeft de Papilio xuthus, een Aziatische zwaluwstaartvlinder, niet alleen receptoren voor die drie kleuren, maar ook voor violet, ultraviolet en breedband. Daarnaast hebben ze ook nog fluorescerende pigmenten waardoor ze uv-licht kunnen omzetten in zichtbaar licht wat ze daarna eenvoudig kunnen waarnemen met hun fotoreceptoren, die bovendien een unieke gelaagde structuur hebben. Zo kunnen ze een veel grotere groep kleuren en veel meer details in hun omgeving waarnemen.
Om de fotoreceptoren zo goed mogelijk na te maken hebben de onderzoekers een dunne laag perovskiet-nanokristallen – een mineraal dat ook in zonnepanelen wordt gebruikt – gecombineerd met een gelaagde reeks siliconen fotodioden, die stroom produceren als er licht op valt.
Kankercellen opsporen
Maar hoe zet je dit in om kankercellen op te sporen? Bepaalde biomedische markers zijn in kankerweefsel meer aanwezig dan in gezonde cellen. Denk aan aminozuren, eiwitten en enzymen. Doordat ze uv-straling absorberen, geven deze markers weer licht af, iets wat autofluorescentie wordt genoemd.
Omdat kanker en gezonde cellen verschillende concentraties hebben van bepaalde markers en daarmee ook op een verschillende manier zichtbaar worden door het uv-licht, kunnen deze twee soorten cellen worden onderscheiden. De onderzoekers hebben hun nieuwe technologie getest en het lukte om met 99 procent zekerheid het verschil te zien tussen kankercellen en gezonde cellen.
Meer toepassingen
“Het in beeld brengen van uv-licht bleef lastig en dat was het grootste struikelblok voor wetenschappelijke vooruitgang”, legt professor Shuming Nie uit. “Nu hebben we deze nieuwe technologie waarbij we uv-licht met een grote mate van gevoeligheid in beeld kunnen brengen en ook onderscheid kunnen maken tussen kleine verschillen in golflengte.”
De onderzoekers zien voor zich hoe de sensor van groot nut kan zijn tijdens operaties. Een van de grootste uitdagingen bij kankeroperaties is om erachter te komen hoeveel weefsel moet worden verwijderd om er zeker van te zijn dat alles weg. De sensor kan helpen bij de besluitvorming van een chirurg als hij een tumor verwijdert. “Deze nieuwe beeldtechnologie zorgt ervoor dat we in staat zijn om onderscheid te maken tussen kankercellen en gezonde cellen, maar heeft ook andere interessante toepassingen”, zegt Nie nog. Zo zijn er meer diersoorten in staat om uv-licht te zien. Dat dit licht nu gedetecteerd kan worden, biedt biologen de kans om meer te leren over deze soorten.
