Biofizyka

Biofizyka,

i fizyka w medycynie

Wykład 12

Toruń, 07.06.2018 Współpraca: prof. dr hab. Grażyna Kontrym-Sznajd (z podziękowaniami)

Termitowe wieżowce

Termity zużywają 1/3 materii organicznej produkowanej globalnie (??) Produkują 11% metanu, który trafia do atmosfery (jako gaz cieplarniany) https://it.wikipedia.org/wiki/Isoptera; https://en.wikipedia.org/wiki/Termite

Termitowe wieżowce

Termites are the high-rise builders of the bug world, with nests that can stretch several meters towards the sky. Thousands of the insects work together to construct an interconnected network of chambers and tunnels from excavated soil for a colony to live in.

Now researchers have developed a model that shows how termites, aware only of their immediate vicinity, can build such large-scale, functional structures without a blueprint. The authors suggest the same model could be used to control and direct an army of efficient robotic builders without central supervision.

http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevE.92.062810

Andrea Perna/CRCA-CNRS-Toulouse

Nartniki

(Gerridae)

Nartniki (Gerridae)

Nartniki (Gerridae)

Helicobacter

The ulcer-causing H. pylori is one of the few organisms that can survive in the highly acidic environment of the stomach. It does so by secreting chemicals that neutralize the acid in the region around it. Recently, researchers discovered that this chemical buffer zone also helps the organism swim through the gel-like mucus covering the

stomach lining. When neutralized, the mucus becomes less viscous as well as less elastic.

Jak pływają bakterie?

Bacteria propulsion can be understood as the interplay of elastic forces in the flagellum and viscous resistance from the fluid. Studies of bacteria motion have often assumed a simplified model in which only short-range viscous forces are included. However, recent experiments have shown that long-range hydrodynamic interactions occur between flows produced by different parts of a flagellum.

M. K. Jawed et al., Phys. Rev. Lett (2015)

http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.115.168101

https://preachrr.wordpress.com/2010/09/01/bacteria-with-outboard-motors/

Jak pływają bakterie?

To develop a more accurate model, Khalid Jawed from the Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, and his colleagues performed experiments on 20-centimeter-long rods molded out of rubber into different helical shapes

to mimic flagella. They then rotated the rods in a viscous fluid (glycerin) at various speeds.

Jak pływają bakterie?

The researchers’ model—which accounted for long-range hydrodynamics—

showed that the propulsive force increases with rotation speed but drops off suddenly once buckling occurs.

Wniosek: bakterie się nie spieszą...

Jak pływają bakterie?

https://preachrr.wordpress.com/2010/09/01/bacteria-with-outboard-motors/

Kinetyzyna – atomowy piechur

Kinesin’s main role is in transporting large proteins and vesicles along thin polymers, called microtubules, that form a “road network” within a cell. The motor molecule has two leg-like appendages that “walk” along the road. The “feet” of the kinesin legs can bind and unbind from microtubule sites that repeat every 8 nanometers.

http://physics.aps.org/articles/v8/114

K. Sozański et al., Phys. Rev. Lett. (2015)

Kinetyzyna – atomowy piechur

Mechanism of kinesin-1 stepping [24]. The motor spends most of the time in the ATP-waiting state, 1. Binding of ATP to the MT-bound motor domain changes its conformation, enhancing the orientational freedom of the neck linker. The 1→2 reaction is reversible. As long as the MT-bound motor domain is in the ATP-bound state, the tethered domain can reach the subsequent binding site on the MT and release ADP. This movement, realized by diffusion, is constrained by viscosity and tension arising in the neck linker. When ATP is hydrolyzed, the MT-bound domain detaches from the MT, becoming the tethered one (3→1).

K. Sozański et al., Phys. Rev. Lett. (2015)

Miozyna – sprężyna mięśni

http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1g8x

Attribution, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33859

Żargon wielorybów

Jak poluje rekin młot?

http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/may/23/protons-swim-with-ease-through-shark-jelly

Some fish, including rays, skates and sharks, can sense electric fields as small as 5 nV/cm, which allows them to detect muscle contractions and other physiological activity in potential prey. They sense the fields using arrays of electrosensory organs in their skin called ampullae of Lorenzi (AoL). An individual AoL comprises a canal that is filled with a jelly-like substance that comes into contact with the external environment via a pore in the creature's skin. The inner end of the canal terminates in a sac (or "alveolus") containing cells that transmit electrical signals from the jelly to the fish's nervous system.

Czy komety przyniosły życie na Ziemię?

The amino acid glycine has been discovered in the comet 67P/Churyumov–

Gerasimenko, suggesting that the ingredients for early life may have been delivered to Earth by comets, rather than being created on our planet. More intriguingly, it also suggests similar comets could also have delivered life elsewhere in the universe – an encouraging sign for those looking for life on other planets

http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/may/30/ingredients-for-life-spotted-on-comet-67p-churyumov-gerasimenko

„Szlachetne zdrowie”*

Biofizyka, i fizyka w medycynie

*Jan Kochanowski

Galvani ↔ Volta:

elektryczność zwięrzęca?

Elektrokariogram: napięcia mV

Elektro-encefalo-grafia (μV)

https://en.wikipedia.org/wiki/Electroencephalography

Ultrasonografia

The frequencies used for medical imaging are generally in the range of 1 to

18 MHz. Higher frequencies have a correspondingly smaller wavelength, and can be used to make sonograms with smaller details. However, the attenuation of the sound wave is increased at higher frequencies, so in order to have better

penetration of deeper tissues, a lower frequency (3–5 MHz) is used.

Utrasonografia

Tarczyca, przepływ krwi

https://www.rit.edu/healthsciences/undergraduate-programs/diagnostic-medical-sonography/ultrasound-specialties

Utrasonografia mózgu

https://www.rit.edu/healthsciences/undergraduate-programs/diagnostic-medical-sonography/ultrasound-specialties

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4247508/

Doppler images (A and B) demonstrating circle of Willis.

Coronal USG demonstrating the vein of Galen. (C)

Parasagittal study showing the small periventricular veins in the region of caudothalamic groove (D)

Echokardiografia

https://en.wikipedia.org/wiki/Echocardiography

Rentgen/ ultrasonografia

Zwichnięcie ramienia:

http://www.jmu-online.com/article/S0929-6441%2816%2930012-1/fulltext

Zastosowania: diagnostyka medyczna

P. Fornasini, http://alpha.science.unitn.it/raggix/frames.html Naczynia krwionośne

w sercu

(Synchrotron Grenoble) Röntgenaufnahme:

Albert von Koellikers Hand, aufgenommen von Conrad Röntgen am 23. Januar 1896 [wiki.de]

Dyfrakcja: struktura DNA

Encyklopedia Fizyki Współczesnej, PWN, Warszawa, 1983

http://aworldofbiology.weebly.com/structure-of-dna-and-rna.html

Dyfrakcja: białka, wirusy

K. M. Renisch, M.L. Nibert, S. C. Harrison, Nature, Vol. 404 (2000) 960 DESY

Clostridum botulini

https://en.wikipedia.org/wiki/Botulinum_toxin https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum

Botulinum is the most acutely lethal toxin known, with an estimated human

median lethal dose (LD50) of 1.3–2.1

ng/kg intravenously or intramuscularly

and 10–13 ng/kg when inhaled.[3]

Tomografia komputerowa (rentgenowska)

Centrum Onologii Bydgoszcz/ Wikipedia: wnętrze gantry – źródła X-ray (T) i detektory (D)

Tomografia komputerowa (rentgenowska)

Centrum Onologii Bydgoszcz: kręgosłup Wikipedia: obraz szyi i głowy

Scyntygrafia

G. Karwasz, M. Więcek, Fizyka współczesna, ZDF UMK 2012

Tomograf PET/CT

Współpraca: Anna Kozłowska 33

34

Tomograf PET/CT

Sterownia PET/CT

35

Proces anihilacji pozytonu i elektronu

Niestabilne jądro o dużej liczbie

protonów

proton „rozpada” się na neutron, neutrino

i pozyton

neutrino

pozyton wolny elektron w wyniku anihilacji pozytonu i elektronu powstają fotony 





P

v e+

e-

36

Zasada pozytonowej tomografii emisyjnej

37

γ

γ

Komputerowa rekonstrukcja

obrazu

Anihilacja pozytonu i elektrony Detektory scyntylacyjne

Pierścienie detektorów

Rekonstrukcja obrazu

38

Badanie PET

39

Obraz mózgowia wykonany metodą PET.

Tomografia optyczna

Interferometr Michelsona

Tomografia optyczna (oka)

M. Wojtkowski, A. Kowalczyk Rogówka

Tomografia optyczna (oka)

M. Wojtkowski, A. Kowalczyk Nerw wzrokowy

Rogówka i soczewka

Rezonans magnetyczny

Nadzwyczajna czułość MRI do obrazowania tkanek miękkich, czyli zawierających dużo wody, wynika ze szczegolnych własności magnetycznych jądra atomu wodoru (czyli protonu). Własności te wynikają ze spinu protonow ale rownież z tzw. wspołczynnika

żyromagnetycznego. Dla elektronow wspołczynnik ten wynosi nieco ponad 2 a dla protonu aż 5,59, tj. pięciokrotnie więcej niż wynikałoby to z klasycznej fizyki14. Za pomocą MRI

możemy obrazować nie tylko struktury w mozgu, zob. fot. 6.8, ale rownież pracę mozgu.

Rezonans magnetyczny

G. Karwasz, M. Więcek, Fizyka współczesna, ZDF UMK 2012

Squid-magnetic detection/ NMR/ PET

Rys. 4. Aktywność mózgu kolejno dla słyszenia, wypowiadania oraz tworzenia wyrazów (C) Grażyna Kontrym-Sznajd

Squid-magnetic detection/ NMR/ PET

Rys. 5. Badanie aktywności mózgu osoby mówiącej: osoby zdrowej i cierpiącej na schizofrenię (prawa i lewa część rysunku)

(C) Grażyna Kontrym-Sznajd

Terapia fotodynamiczna (raka skóry)

Diagnostyka (i terapia) fotodynamiczna:

Choremu podaje się fotouczulacz, który selektywnie kumuluje się w tkance nowotworowej.

Następnie naświetla się określoną okolicę ciała promieniami lasera - pod wpływem światła fioletowego fotouczulacz świeci, co pozwala wizualnie określić kształt, wielkość i położenie zmiany nowotworowej

Prof. Grażyna Kontrym-Sznajd, na stronach Fizyki Współczesnej, ZDF UMK http://www.cancer.org/cancer/esophaguscancer/if-you-have-esophagus-cancer

Radioterapia raka płuc

• CyberKnife

Mounted on the Robot is a compact X-band linac that produces 6MV X-ray radiation.

At present the radiation field sizes are: 5, 7.5, 10, 12.5, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 and 60 mm.

Cyber-nóż , który pozwala naświetlać guzy w narządach poruszających się, a pacjent nie musi być unieruchamiany.

„bomba kobaltowa”

1.17, 1.33 MeV

https://en.wikipedia.org/wiki/Cobalt-60

Protonoterapia

W przypadku zastosowania cząstek, jonizacja polega na tym, że przechodząc przez tkankę, przykładowo protony, wybijają elektrony krążące wokół jąder atomowych. Robią to tym skuteczniej, im wolniej się poruszają - w efekcie dawka jonizacji posiada ostre maksimum na końcu zasięgu protonu. Ilustruje to pik Bragga, którego położenie zależy od energii wiązki, przykładowo: 3 cm dla protonów o energii E=60 MeV i aż 30 cm dla protonów o E=230 MeV. Dzięki temu, regulując ich energię, określamy obszar, w którym najwięcej komórek będzie zniszczonych - „celujemy” w obszar nowotworu.

(C) G. Kontrym-Sznajd

Protonoterapia

Rys. 5. Stanowisko do terapii protonowej oka w CCB. Wiązka protonów z prędkością 100 000 km/s wnika w oko, zatrzymując się dokładnie w miejscu nowotworu.

Dwa dodatkowe zdjęcia pokazują szczegóły: fotel terapeutyczny, wyposażony w dwa

układy rtg dla pozycjonowania pacjenta oraz gryzak i maskę, dobierane indywidualnie [7].

Protonoterapia

Cyklotron Proteus C-235 oraz jedno z dwóch stanowisk gantry w Centrum Terapii

Protonowej w Bronowicach. Stanowiska te powinny rozpocząć terapie w IV. kwartale 2015r.

Terapia jonami węgla

Prof. Grażyna Kontrym-Sznajd ₁₁C → ¹¹B + e⁺ + ν_e e⁺ + e^- → γ + γ

Radioterapia raka mózgu

GammaKnife: 196 źródeł dookoła głowy

Radioterapia raka mózgu

W Polsce: 1 czynne urządzenie...

P.S. Oko ludzkie:

single photon vision

• http://www.nature.com/news/people-can-

sense-single-photons-1.20282

P.S. Pszczoły

Bees and their magnetic superpower

• http://physicsworld.com/cws/article/multimedia/2017/may/11/bees-and-their- magnetic-superpower

• Lot trzmiela

• https://www.youtube.com/watch?reload=9&v=IcU-i7j0uYs

• https://www.livescience.com/528-scientists-finally-figure-bees-fly.html

• (Caltech 2006)

• https://www.focus.it/ambiente/animali/31072010-1032-477-ali-uncinate