Canalul Youtube Raportul de gardă
Rolul educației pentru sănătate în medicina personlizată

Premiul Nobel pentru Fizică: dezvoltarea de lasere care au contribuit la chirurgia oftalmologică

mm
07 oct. 2018
3311 Views

Al doilea premiu Nobel anunțat a fost premiul pentru Fizică. Anul acesta au fost recunoscute meritele a trei cercetători care au lucrat în domeniul opticii: Arthur Ashkin, Gérard Mourou și Donna Strickland.

Laureații premiului Nobel pentru Fizică 2018 Sursa foto: nobelprize.org

Despre laureați

Arthur Ashkin, născut în 1922 în New York, este un fizician care a studiat la Universitățile Columbia și Cornell. Acesta a studiat „optic tweezers” în cadrul Laboratoarelor Bell. Acesta primește premiul Nobel la vârsta de 96 de ani și devine astfel cel mai în vârstă laureat al premiului.

Gérard Mourou, născut în 1944, este un fizician francez. Acesta este profesor la Ecole Polytechnique și la Universitatea din Michigan. Acesta a coordonat teza de doctorat care a pus bazele descoperirii pentru care a luat premiul Nobel, la Universitatea Rochester în 1977.

Donna Strickland, născută în 1959 în Ontario, Canada, este fizician și profesor la Universitatea Waterloo din Canada. Aceasta și-a efectuat studiile la universitățile McMaster și Rochester, unde a și creat lucrarea de doctorat, coordonată de Gérard Mourou, care a pus bazele descoperirii în optică pentru care a primit premiul Nobel.

Ilustrație a procedeului CPA, pentru care Strikland și Mourou au primit premiul Nobel pentru Fizică 2018
Sursa foto: nobelprize.org

Laserul de intensitate mare și utilizarea sa în medicină

Gérard Mourou și Donna Strickland au pus bazele științifice care au condus la invenția celui mai precis tip de laser. Acesta este format din impulsuri scurte de mare frecvență și cu cea mai mare intensitate, și a contribuit la inovația domeniului oftalmologiei chirurgicale. Tehnica pe care cei doi au inventat-o se numește chirped pulse amplification (CPA).

Laserul reprezintă un fascicul de lumină, în care fiecare rază de lumină are un traseu paralel cu celelalte raze. Astfel, un fascicul poate fi foarte exact concentrat și poate acționa asupra unui spațiu restrâns.

Diferența în tehnica LASER înainte și după procedeul CPA: laserul de nouă generație concentrează fascicolul de lumină mai precis și nu deteriorează materialul asupra căruia acționează
Sursa foto: nobelprize.org

Pentru a fi eficiente și utile în numeroasele lor aplicații, laserele trebuie să fie emise cu o intensitate mare, trebuie să aibă un nivel înalt de energie. Emiterea laserului în impulsuri de lumină de intensitate mare și durată mică (optical pulses) a contribuit la rezolvarea parțială a acestei probleme. Totuși, amplitudinea maximă atinsă de acest tip de laser este limitată, deoarece poate deteriora obiectul asupra căruia acționează laserul.

Impulsul luminos al fasciculului laser este extins pe o perioadă mai mare, amplificat, și redus la durata inițială
Sursa: nobelprize.org

În acest punct al dezvoltării laserelor a intervenit invenția lui Strickland și Mourou, CPA. Prin această tehnică, crește durata impulsului de lumină, acesta este amplificat, iar apoi compresat în durata inițială. Astfel, un impuls luminos va avea un nivel mai mare de energie și o durată la fel de scurtă.

Metoda LASIK: laserul de înaltă intensitate și precizie taie un „capac” în corneea pacientului. Ulterior, razele laser sunt direcționate în interiorul corneei unde incizează un strat subțire din cornee, iar capacul este reașezat la suprafață
Sursa: nobelprize.org

Tehnica CPA a facilitat apariția laserului care se utilizează astăzi în oftalmologie- operațiile de corectare a defectelor de refracție. Acest tip de chirurgie, numită LASIK poate corecta miopia și astigmatismul. Laserul folosit în această tehnică este capabil să excizeze porțiuni foarte mici din cornee (stratul anterior al ochiului). Astfel, îi corectează forma și curbura și corectează  aceste defectele de refracție care afectează peste jumătate dintre adulții din Europa.

Numărul de proceduri LASIK efectuate în Europa în perioada 2004-2020 Sursa foto: Market Scope; VSDAR

De la o lucrare de doctorat în domeniul opticii din 1977 până la una dintre cele mai frecvente operații oftalmologice utilizate în zilele noastre. În 2017, se estimează că au fost efectuate 647.000 de astfel de proceduri în Europa. În plus, 90% dintre pacienți au o acuitate vizuală de 20/20 (considerată normală), și cel mai important- rezultatele post-LASIK satisfac așteptările a 96% dintre pacienți.

Pensetele optice (optic tweezers)

Arthur Ashkin a creat o tehnică numită „optic tweezers”. Un fascicul de lumină este capabil să capteze o particulă foarte mică: atomi, molecule, sau chiar virusuri și bacterii. În acest mod, pot fi studiate și manipulate fără a le modifica structura. Această tehnică are aplicații importante în modul în care cercetătorii studiază lumea vie.

Arthur Ashkin a observat încă din anii 1960, imediat după descoperirea laserului, capacitățile acestei forme de lumină amplificată de a interacționa cu particulele foarte mici.

Mecanismul optic tweezers: fascicolul captează microparticula în interiorul lui, unde intensitatea fascicolului este maximă Sursa: nobelprize.org

Optic tweezers” reprezintă un fascicul laser a cărei traiectorie întâlnește o microparticulă (de exemplu, bacterie ori virus). Intensitatea fasciculului este maximă în centrul acestuia, unde este și atrasă particula. Astfel, aceasta poate fi manevrată fără a îi modifica structura: poate levita ( dacă fascicolul este îndreptat vertical) sau poate fi deplasată.

Studiul moleculelor cu rol transportor intracelular este facilitat de utilizarea optic tweezers. Sursa: nobelprize.org

Cu ajutorul optic tweezers, au fost descifrate mai multe mecanisme din lumea vie:

  • Felul în care bacteriile flagelate se deplasează;

  • Proprietățile fizice ale acidului dezoxiribonucleic (ADN);

  • Răspunsul unei molecule de ARN (acid ribonucleic) la forța mecanică;

  • Mecanica „motoarelor moleculare”:

Motoarele moleculare sunt un tip de substanțe chimice cu proprietăți fizice speciale, pentru care a fost acordat premiul Nobel pentru Chimie în 2016. Acestea sunt substanțele care efectuează activități de deplasare în celule: de exemplu, moleculele care ajută fibrele musculare să se scurteze și să se lungească, moleculele care au rol de „cărăuși” în celulă, sau chiar moleculele care facilitează transcripția ADN-ului în proteine. Cu ajutorul „optic tweezers” au putut fi calculate foarte precis traiectoriile acestor motoare moleculare și forța dezvoltată de acestea.

Citește și:

Premiul Nobel pentru Medicină 2018: înțelegerea mecanismelor prin care sistemul imun luptă împotriva cancerului

Femeile laureate cu Premiul Nobel pentru contribuțiile aduse la progresul medicinei

Premiul Nobel pentru Chimie 2017: microscopia crio-electronică, descoperirea care a ajutat la înțelegerea rezistenței la antibiotice și la descifrarea virusului Zika

 

Leave a Comment

Your email address will not be published.