Photonic biosignals: applications

Komentáře

Transkript

Photonic biosignals: applications
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

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...

Více

Prezentace aplikace PowerPoint - Ústav fotoniky a elektroniky AV

Prezentace aplikace PowerPoint - Ústav fotoniky a elektroniky AV Optické biosenzory Vláknové lasery a nelineární optika

Více

Výroční zpráva za rok 2014 - Praha

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...

Více

výroční zpráva - Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, vvi

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...

Více

iii. letní doktorandské dny 2013 - SAMI

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...

Více

1. patro - Festival Fantazie

1. patro - Festival Fantazie americkým spisovatelem

Více

Přednáška 10

Přednáška 10 Chemoluminescence, resulting of a chemical reaction – Electrochemiluminescence, by an electrochemical reaction Crystalloluminescence, produced during crystallization Electroluminescence, in respons...

Více

tOp 10 GSVs

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 ...

Více