Radiasi terahertz memiliki potensi besar dalam diagnosis dan pengobatan medis karena rentang frekuensinya sesuai dengan energi karakteristik pergerakan biomolekul. Keunggulan utama radiasi terahertz adalah energinya yang rendah sehingga tidak menyebabkan ionisasi biomolekul. Dalam makalah ini, kami mengulas berbagai teknik biomedis terahertz mutakhir beserta hasil-hasilnya, serta mengusulkan teknik potensial yang dapat diterapkan di klinik dalam waktu dekat. Pertama, beberapa teknik untuk meningkatkan kedalaman penetrasi ke dalam jaringan biologis yang basah akan dibahas. Kemudian, metode endoskopi dan otoskopi untuk mengakses organ dalam akan dikaji. Prinsip kerja sensor yang memanfaatkan radiasi terahertz akan dijelaskan, dengan beberapa contoh aplikasi terkait gangguan darah, diabetes, dan kondisi pernapasan.

Potensi terbesar radiasi terahertz dalam aplikasi biomedis sejauh ini adalah dalam pencitraan kanker, karena radiasi ini sangat ideal untuk mengukur jaringan lunak superfisial di mana sebagian besar kanker berkembang. Contoh yang dibahas dalam makalah ini meliputi kanker kulit, mulut, lambung, payudara, dan otak. Dalam upaya mencari sinyal spesifik kanker menggunakan radiasi terahertz, ditemukan bahwa DNA ganas yang mengalami metilasi menunjukkan resonansi karakteristik pada sekitar 1,65 THz. Resonansi ini dapat dimanfaatkan untuk pengobatan kanker melalui demetilasi DNA ganas menggunakan iradiasi terahertz berdaya tinggi pada frekuensi spesifik ini, serta sebagai biomarker potensial untuk kanker.

I. PENDAHULUAN

Sejak Hu dan Nuss pertama kali mendemonstrasikan pencitraan terahertz (THz) menggunakan daun basah yang mengering seiring waktu, para peneliti mulai menyadari potensi radiasi THz untuk aplikasi biologis dan medis. Karena memiliki energi rendah dalam rentang mili-elektronvolt, radiasi THz tidak menyebabkan ionisasi molekul, yang merupakan keunggulan signifikan dibandingkan sinar-X yang dapat menyebabkan kerusakan pada biomolekul.

Lebih penting lagi, spektrum energi THz mencakup energi karakteristik dari gerakan kolektif biomolekul, seperti vibrasi, rotasi, dan librasi, serta energi rendah dari ikatan hidrogen yang melimpah dalam sampel biomedis berbasis air. Ini menjadikan radiasi THz sebagai sumber radiasi yang sangat baik untuk studi biologis dan medis, dengan sensitivitas tinggi terhadap perubahan biomolekul, sel, dan jaringan. Dengan memanfaatkan sifat ini, radiasi THz telah digunakan untuk mempelajari air dan berbagai biomolekul, serta untuk pencitraan jaringan yang sakit, termasuk tumor. Dalam makalah ini, para penulis menyajikan perspektif tentang aplikasi praktis radiasi THz yang dapat segera dikomersialkan dan diterapkan di klinik untuk diagnosis dan pengobatan penyakit.

Radiasi THz tidak dapat menembus jauh ke dalam jaringan biologis yang basah karena diserap secara signifikan oleh molekul air. Sebagai contoh, radiasi ini hanya dapat menembus beberapa ratus mikrometer ke dalam kulit manusia. Namun, beberapa teknik memungkinkan radiasi THz menembus lebih dalam ke jaringan basah, termasuk teknik pembekuan dan teknik peningkatan penetrasi menggunakan agen gel. Metode ini akan dibahas dengan contoh spesifik. Untuk pencitraan dan pemantauan organ dalam, metode endoskopi dan otoskopi juga akan dibahas.

Sensor THz yang dikombinasikan dengan teknologi metamaterial mutakhir telah digunakan untuk mendeteksi sejumlah kecil biomolekul, membantu diagnosis kondisi medis seperti diabetes atau gangguan darah dan pernapasan. Sensor ini dan mode aplikasinya akan dirangkum.

Salah satu aplikasi medis paling menjanjikan dari radiasi THz adalah pencitraan kanker. Sebagian besar kanker berkembang di permukaan jaringan lunak, yang merupakan target ideal untuk pencitraan superfisial menggunakan radiasi THz. Banyak peneliti telah menyelidiki pencitraan diagnostik berbagai jenis kanker, termasuk kanker kulit, mulut, lambung, dan otak. Dalam upaya mencari sidik jari spesifik kanker, Cheon et al. mengamati fitur resonansi pada 1,65 THz yang dikaitkan dengan berbagai jenis kanker. Resonansi ini diyakini berasal dari DNA yang mengalami metilasi dan dapat berfungsi sebagai biomarker universal untuk kanker.

Banyak bukti menunjukkan bahwa demetilasi DNA ganas membantu memulihkan ekspresi gen, menginduksi apoptosis sel, dan mengurangi ukuran tumor. Efek ini dapat dicapai dengan obat demetilasi spesifik seperti decitabine. Demetilasi menggunakan penyerapan resonan dari radiasi THz berdaya tinggi dapat menghasilkan efek serupa, meningkatkan efektivitas pengobatan kanker. Demetilasi elektromagnetik DNA ganas akan dibahas secara singkat sebagai metode potensial untuk pengobatan kanker.

II. TEKNIK UNTUK APLIKASI KLINIS

A. Sistem THz, TDS, dan CW

Gelombang elektromagnetik yang membentuk radiasi THz untuk spektroskopi dan pencitraan biomedis dapat dihasilkan dan dideteksi dalam bentuk pulsa atau gelombang kontinu (CW). Spektroskopi domain waktu THz (TDS) yang berbasis laser ultracepat memperkenalkan konstanta optik kompleks dalam bentuk indeks bias dan konstanta absorpsi spesimen, yang masing-masing mewakili keterlambatan waktu dan pengurangan amplitudo pulsa elektromagnetik THz akibat interaksi molekuler dengan material yang dipelajari.

Sistem THz-TDS umum menggunakan osilator Ti:sapphire 800 nm atau laser serat telekomunikasi 1,5 μm yang menghasilkan daya rata-rata pada level mikrowatt dengan frekuensi hingga beberapa THz. Pulsa THz berdaya tinggi yang dihasilkan menggunakan plasma udara atau kristal non-linear miring yang didorong oleh penguat laser regeneratif dapat digunakan untuk menyelidiki efek medan tinggi THz pada biomolekul, sel, dan jaringan dengan daya rata-rata dalam tingkat miliwatt.

Sebaliknya, sumber dan detektor THz CW dapat dibuat dalam ukuran lebih kecil dengan biaya lebih rendah, karena sistemnya tidak memerlukan laser ultracepat. Sumber ini telah dikembangkan menggunakan teknologi fotomixing dengan perangkat optoelektronik, transistor kecepatan tinggi, dioda resonansi terowongan, laser cascaded kuantum (QCL), osilator gelombang mundur, dioda Schottky, dan gyrotron. Radiasi frekuensi tunggal dari sumber-sumber tersebut dideteksi menggunakan bolometer, detektor piroelektrik, dioda Schottky, dan detektor optoelektronik lainnya.

Terlepas dari jenis sumber dan detektornya, kecepatan akuisisi gambar menjadi salah satu tantangan utama dalam penggunaan radiasi THz untuk pencitraan medis. Kecepatan pencitraan menggunakan sumber titik dan detektor relatif lambat karena sampel harus dipindai secara titik demi titik. Meskipun pemindai Galvano dua dimensi dan detektor cepat atau teknik pemrosesan sinyal meningkatkan kecepatan pemindaian, bidang pandang yang luas diperlukan untuk pencitraan real-time. Pengembangan array bolometer tanpa pendingin dan THz QCL memungkinkan pencitraan THz secara real-time, yang merupakan contoh baik arah yang harus diambil oleh sistem pencitraan medis THz.

Masalah lain dalam aplikasi medis THz adalah kedalaman penetrasi yang rendah, karena tingginya absorpsi radiasi THz oleh air menyebabkan hanya beberapa ratus mikrometer yang dapat ditembus dalam sampel basah seperti jaringan manusia.

B. Pencitraan THz Beku

Radiasi THz tidak dapat menembus jauh ke dalam jaringan biomedis basah karena absorpsi oleh molekul air sangat tinggi pada suhu kamar. Misalnya, kedalaman penetrasi radiasi THz dalam kulit manusia terbatas pada beberapa ratus mikrometer. Beberapa kelompok telah mengusulkan teknik pembekuan untuk meningkatkan kedalaman penetrasi radiasi THz ke dalam jaringan basah, karena koefisien absorpsi es satu orde magnitudo lebih rendah dibandingkan air cair. Dengan demikian, radiasi THz dapat menembus lebih dalam saat molekul air dalam jaringan dibekukan.

Teknik pembekuan memungkinkan pengamatan keadaan struktural sel dan informasi kimia dari molekul dalam jaringan, karena efek latar belakang yang disebabkan oleh molekul air berkurang.

>>> LINK JURNAL <<<