Fotonika Biomedik: Revolusi pada Pertemuan Sains dan Teknologi


Pendahuluan

Sepanjang sejarah umat manusia, cahaya telah memainkan peranan penting dalam dunia kedokteran. Konstribusi cahaya ke dalam ilmu kedokteran telah mengembangkan sejarah manusia dengan hadirnya sains dan teknologi. Pada abad ke-17, penemuan mikroskop oleh investigator Belanda merupakan perkembangan yang sangat pesat dari riset biologis dan biomedis untuk 200 tahun ke depan. Teori sel hadir pada tahun 1830 masehi, ketika ilmuwan jerman M.J. Schleiden dan Theodor Schwann melihat ke dalam miroskop dan mengidentifikasi sel sebagai unit utama dari jaringan dan metabolisme dari tanaman dan hewan. Mikroskop merupakan senjata observasi yang canggih untuk metode baru dalam riset pada waktu itu, dan salah satu hasil penemuannya adalah teori kuman dalam penyakit yang telah dikembangkan oleh Robert Koch dan Louis Pasteur dalam 1870 masehi (Gambar 1.1).

Pada tahun 1895, fisikawan jerman Wilhelm Roentgen, yang bekerja di dalam laboratorium, menemukan radiasi tipe baru: sinar-X. Ini telah menjadi penemuan penting yang memperluas jangkauan radiasi elektromagnetik di luar batas kewajaran pada waktu itu. Selanjutnya, penemuan ini membawa kepada pengembangan dengan pesat dari teknik baru bahwa sinar-X dapat digunkanan untuk melihat secara langsung secara utuh isi tubuh manusia untuk diagnosa penyakit.

Gambar 1.1. Louis Pasteur menggunakan mikroskop, yang menyajikan peralatan observasi utama dalam riset gaya baru dan salah satu hasilnya adalah teori kuman dalam penyakit. Albert Edelfelt’s Louis Pasteur (1865), Musée d’Orsay, Paris, Prancis.

Contoh-contoh di atas hanya beberapa dari banyak peristiwa dari penemuan ilmiah dan perkembangan teknologi dalam fotonika yang membuka pandangan baru dalam dunia kedokteran dan menyajikan alat yang canggih untuk menginvestigasi molekul, menganalisis jaringan, dan mendiagnosa penyakit.

Definisi Fotonika Biomedik

Sebenarnya, bidang fotonika biomedik tidak dapat ditetapkan dengan jelas karena relatif merupakan bidang baru yang muncul dari riset yang menghubungkan ilmu fisika, kimia, biologi dan juga teknologi. Dan sebaiknya kita harus mendefinisikan ini dengan benar.

Bidang yang paling dekat dengan ini yang biasanya digunakan adalah “biomedical optic” (Optika Biomedik). Marilah kita periksa kesamaan dan perbedaan antara fotonika biomedik dan optika biomedik. Secara umum, bidang optik termasuk diantaranya cahaya “optis” atau cahaya “tampak”, adalah merupakan bagian dari radiasi elektromagnetik yang dapat dilihat atau diindera dengan mata manusia. Dengan kata lain, bidang fotonika, termasuk di dalamnya foton, kuanta energi di dalam spektrum radiasi elektromagnetik, adalah lebih luas dari pada bidang optik. Kita cenderung berfikir bahwa radiasi adalah seperti cahaya, tetapi sekumpulan warna yang membentuk cahaya optis atau cahaya tampak hanyalah bagian yang terlalu kecil dibandingkan dengan foton.

Fotonika termasuk teknologi optikal dan non optikal yang berhubungan dengan radiasi elektromagnetik, di mana energi merambat ke dalam ruang dalam bentuk medan listrik dan magnet secara berkesinambungan. Spektrum elektromagnetik adalah perluasan dari energi tersebut, tersebar dari energi frekuensi sinar kosmik, sinar gamma, dan sinar-X, selanjutnya ultraviolet, sinar tampak, inframerah, gelombang mikro, dan gelombang radio.

Oleh karena itu fotonika biomedik, dapat didefinisikan sebagai sains dan teknologi yang menggunakan seluruh jangkauan radiasi elektromagnetik melebihi cahaya tampak untuk aplikasi medis. Bidang ini termasuk membangkitkan dan memanfaatkan cahaya dan bentuk lain dari energi radiasi di mana unit kuantumnya adalah sebuah foton. Bidang sains-nya termasuk penggunaan absorpsi, emisi, transmisi, hamburan, penguatan, dan deteksi cahaya dan penggunaan variasi metode dan teknologi yang lebih luas, seperti laser dan sumber cahaya lain, serat optik, instrumen elektro-optik, sistem mikroelektromekanik canggih, dan sistem nano, untuk aplikasi medis tentunya. Jangkauan aplikasi dari fotonika biomedik meluas, dari diagnosa medis hingga terapi dan juga pencegahan penyakit.

Revolusi sains dan teknologi yang membangun fotonika biomedik

Bidang fotonika biomedik tidak terbentuk dengan definisi yang jelas, tidak seperti disiplin riset tunggal misalnya fisika, kimia, ataupun biologi. Perkembangan dan pertumbuhannya telah terbangun oleh konvergensi dari tiga disiplin ilmu (fisika, kimia, dan bilogi) dan revolusi teknologi pada abad ke 20 (Gambar 1.2):

  • Revolusi teori kuantum (1900-1950 masehi)
  • Revolusi teknologi (1940-1950 masehi)
  • Revolusi genom (1950-2000 masehi)

Perkembangan teknologi biasanya direpresentasikan sebagai “kurva S”, naik perlahan di awal, kemudian naik dengan cepat dan tambah cepat hingga mendekati batasan alami, dan kemudian bertandang pada level yang mandekati jangkauan batasan teoretis. Beberapa contoh penemuan ilmiah dan prestasi teknologi ditunjukkan dalam Gambar 1.2. penjelasan di bawah ini akan mendiskusikan revolusi ketiganya pada abad ke 20 yang membentuk pertumbuhan dan perkembangan dari fotonika biomedik.

Revolusi teori kuantum: evolusi historis dari konsep cahaya

Ruang lingkup foton telah secara siginifikan diuntungkan dari perkembangan dari teori kuantum. Dengan hadirnya teori ini, ruang lingkup ilmiah seperti spektroskopi molekuler dan teknologi fotonika (seperti laser, biopsi optis, penjepit optik atau optical tweezer, dan penyelidikan ruang lingkup lain di sekitarnya) telah memberikan piranti yang sangat kuat untuk mendiagnosa penyakit secara non invasif, menginterogasi sel pada level molekuler, dan memerangi penyakit pada tingkatan gen. Teori kuantum dari fenomena atom memberikan kerangka fundamental untuk biologi dan genetika molekuler karena keunikannnya dalam memahami elektron, atom, molekul, dan juga cahaya itu sendiri. Kerangka ilmiah baru ini dilahirkan dari penemuan struktur DNA, molekular alami pembentuk sel dan sebab genetis dari penyakit, semua ini membentuk basis dari molekular medis.

Teori kuantum merupakan satu dari penemuan yang paling spektakuler pada abad ke 20 dan membuat pergesaran paradigma berfikir yang jauh berbeda dari paradigma sebelumnya. Konsep dari paradigma ini di ajukan oleh Thomas Kuhn dalam buku seminarnya “The Strusture of Scientific Revolutions.” Berdasarkan tesis Kuhn, ilmuwan-ilmuwan melakukan investigasi di dalam kerangka latar belakang kolektif dari asumsi yang dibagi bersama yang membangun paradigma ini. Selama beberapa periode, komunitas ilmiah dalam bagian ruang lingkup riset telah mengumumkan paradigma yang dibangunnya, mendefinisikan, dan aktifitas riset langsungnya pada ruang lingkupnya. Orang-orang menjadi sering berkaitan dengan paradigma mereka (komunitas riset) hingga pergeseran paradigma terjadi ketika penemuan revolusioner utama memicu perubahan pola berfikir secara drastis, seperti pergolakan dramatis yang terjadi selama masa revolusi.

Pergeseran paradigma dramatis terjadi pada abad ke 17 dengan filosofi mekanistik René Descartes’ dan revolusi ilmiah Isaac Newton. Descartes`, seorang ahli filsafat dan matematikawan Prancis, menetapkan keyakinannya kepada  ilmu pengetahuan yang membentuk basis dari filsafat kartesian dan pandangannya bersumber dari pernyataan tersebut. Menurut  Bertrand Russel, pergeseran pola pikir “tidak akan terjadi semenjak Aristotle…Terdapat sebuah kesegaran mengenai kinerja [Descrates] yang tidak dapat ditemukan dalam setiap filsafat unggulan sebelumnya semenjak Plato.” Untuk Descrates`, esensi dari sifat dasar manusia berada dalam gagasannya, dan segala sesuatu yang terkandungnya dengan jelas dan gamblang adalah benar. Descrates`, filsafat rasional terintegrasi menjadi interpretasi mekanistik komplit dari fisika, biologi,psikologi,dan juga medis. Pernyataannya yang terkenal, Cogito, ergo sum (dalam bahasa Indonesia artinya kurang lebih, “Saya kira, itulah saya”) yang sangat mempengaruhi peradaban Barat.

Bersama Newton, agenda baru bagi riset ilmiah dalam optika, mekanika, astronomi, dan variasi ruang lingkup baru yang luas telah lahir. Principia Mathematica Philosophica Naturalis-nya Newton, seri dari tiga buku yang diselesaikan pada 1687, menelurkan pondasi untuk pemahaman kita pada dunia fisika, yang membentuk sejarah ilmu pengetahuan dan meninggalkan paradigma utama dari pandangan klasik untuk lebih dari dua abad lamanya. Karya Newton telah menjawab semua penyelidikan intektual yang memperluas pengetahuan pada waktu itu melewati Galileo, Kepler, dan Copernicus, dan juga akhirnya pada Aristotle.

Gambar 1.2. ketiga revolusi pada abad 20 yang membangun fotonika biomedik. Perkembangan teknologi biasanya direpresentasikan sebagai “kurva S”, naik perlahan di awal, kemudian naik dengan cepat dan tambah cepat hingga mendekati batasan alami, dan kemudian bertandang pada level yang mandekati jangkauan batasan teoretis.

Semenjak 300 sebelum masehi, karya Aristotle yang mencakup logika, fisika, kosmologi, psikologi, sejarah ilmu pengetahuan, anatomi, metafisika, etika, dan estetika-telah mewakili puncak masa-masa kejayaan Yunani dan para pemikir yang terkenal hingga 2000 tahun. Dalam pandangan Aristotelian, cahaya tidak dianggap sebagai salah satu diantara empat elemen utama, udara, bumi, api dan air, yang membentuk alam semesta. Dalam karya Newton, yang sangat bertolak belakang dengan pandangan Aristotelian, cahaya memainkan peranan yang penting dalam ketiga seri bukunya yang dinamakan dengan Opticks, yang menjelaskan secara detail berbagai fenomena cahaya (seperti refraksi cahaya, asal-usul  cahaya berwarna putih, fenomena film tipis) dan instrumen optik (seperti mikroskop dan teleskop). Newton melakukan eksperimen perdananya yang menggunakan instrumen optik dan menunjukkan bahwa cahaya sebenarnya merupakan campuran dari beberapa warna dengan menggunakan prisma kaca untuk memisahkan warna. Pada 1865, Fisikawan Inggris, James Clark Maxwell mengembangkan teori perambatan cahaya dengan penggabungan teori yang menjelaskan gaya kelistrikan dan kemagnetan.

Kemudian, serangkaian penemuan yang tak terduga yang berkaitan dengan sifat-sifat cahaya telah membawa kepada keraguan pada kebenaran pandangan Newtonian dan membentuk pada taraf pergeseran paradigma selanjutnya yang lebih jauh: revolusi pada abad ke 20 dalam fisika kuantum yang diawali oleh Albert Einstein. Sebuah fenomena yang dinamakan dengan “efek fotolistrik” menimbulkan pertanyaan yang sangat besar pada konsep eksak cahaya yang diakui kebenarannya oleh kalangan Newtonian. Ditemukan oleh Heinrich Hertz, efek fotolistrik yang berhubungan dengan paradoks yang nyata: ketika cahaya mengiradiasi material tertentu, maka akan muncul arus listrik, tetapi hanya terjadi di atas frekuensi ambangnya. Penambahan intensitas cahaya yang memiliki frekuensi di bawah frekuensi ambang batas tidak akan membangkitkan arus, fenomena ini tidak dapat dijelaskan oleh kalangan Newtonian. Pada 1901, seorang fisikawan Jerman, Max Planck mengusulkan bahwa cahaya hanya datang dengan paket-paket diskret cahaya.

Gambar 1.3. Albert Einstein memperkenalkan bidang mekanika kuantum, yang menyajikan pondasi teoretikal untuk spektroskopi melokuler dan fotonika, Einstein menyebut partikel tersebut dengan kuanta cahaya (setelah istilah latinnya quantus yang berarti “seberapa banyak”); yang menjadi asal-usul istilah “teori kuantum.” Einstein menunjukkan bahwa cahaya tidak terdiri dari gelombang kontinu maupun partikel berat. Malahan, cahaya tersusun atas paket-oaket energy yang dikenal dengan foton. (foto dari Bildarchiv ETH-Bibliothek, Zurich, Switzerland.)

Bagaimanapun juga, Einstein, sewaktu bekerja di perusahan hak paten di Swiss setelah lulus dari Swiss  Federal Institute of Technology di Zurich (dikenal dengan ETH), menyajikan penjelasan yang komprehensif dari efek fotolistrik dalam makalah yang dipublikasikan pada tahun 1905 dan meluncurkan bidang mekanika kuantum. Einstein menamakan partikel cahaya dengan istilah “quanta” (dalam bahasa latin quantus yang artinya “seberapa banyak”), itulah yang menjadi asal-usul  dari istilah “teori kuantum” yang kita kenal sekarang. Dia menunjukkan bahwa cahaya tidak terdiri dari gelombang kontinu maupun dari sebagian kecil partikel berat. Melainkan, cahaya tersusun atas paket-paket energi yang dinamakan dengan foton. Masing-masing foton memiliki energi yang berkaitan dengan frekuensi gelombang dalam paketnya. Fekuensi yang lebih besar (warna yang paling biru dalam deretan warna), memiliki energi yang lebih besar yang terbawa di dalam paket. Pengharaan Nobel Einstein diberikan pada 1921, bukan untuk teori relativitasnya (komite nobel menganggapnya sangat spekulatif pada waktu itu), tetapi untuk teori kuantumnya pada efek fotolistrik (Gambar 1.3).

Einstein mempublikasikan makalahnya yang lain yang juga luar biasa pada tahun 1905 yang secara drastis menjurus pada fisika modern. Makalah ini berhubungan dengan relatifitas khusus, atau fisika dari benda yang bergerak seragam, relatif terhadap lainnya. Di sini lagi, cahaya memainkan peranan inti sebagai elemen referensi terakhir yang memiliki kecepatan tertinggi di alam semesta. Dengan mempostulatkan bahwa tak ada yang dapat bergerak dengan kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya, Einstein mereformulasi mekanika Newtonian yang tidak terdapat batasan. Ini adalah jantung dari formulanya yang terkenal E=mc^{2} , di mana m adalah massa, E adalah energi, dan c adalah konstanta kecepatan cahaya. Teori relativitas Einstein mementahkan pandangan klasik yang berdasarkan pada ruang tiga dimensi geometri Eucledian, mekanika Newton, dan konsep keabsolutan ruang dan waktu. Dalam pandangan Einstein, alam semesta tidak memiliki kerangka acuan istimewa, jam utama, dan waktu absolut, karena kecepatan cahaya adalah kecepatan mutlak, konstan di setiap arah dan kerangka acuan.

Penerimaan teori kuantum diperkuat lagi oleh riset yang dilakukan oleh Ernest Rutherford dan Niels Bohr, dengan menggunakan emisi radioaktif sebagai piranti untuk menginvestigasi struktur atom. Utamanya, teori kuantum menggantikan model mekanik atom dengan sesuatu di mana atom dan semua obyek materi tidak dengan jelas didefinisikan sebagai objek fisis yang ada di dunia ini tetapi lebih sebagai “awan kabut” dengan sifat dualisme gelombang-partikel. Berdasarkan teori kuantum, setiap obyek, bahkan partikel sub atom (elektron, dan proton dan netron yang berada di dalam inti), adalah sesuatu yang memilki sifat aspek dualisme. Cahaya dan materi adalah contoh dari dualitas ini, kadang kala menjadi gelombang elektromagnetik, dan kadang kala sebagai partikel yang disebut dengan foton. Keberadaan dari setiap molekul atau obyek dapat didefinisikan sebagai “gelombang probabilitas”, yang memprediksi “kebolehjadian” menemukan obyek dalam ruang tertentu dengan batasan spesifik. Formulasi matematis yang dikembangkan oleh Werner Heisenberg, Erwin Shrodinger, dan Paul Dirac dari tahun 1926 hingga 1933 membangun pondasi teoretikal dari teori kuantum dengan kuat.

Aturan-aturan yang mengatur dunia sub atom dari partikel dan gaya inti dinamakan dengan mekanika kuantum. Dalam mekanika kuantum, keadaan dari molekul ditentukan oleh fungsi gelombang , yaitu fungsi posisi dan spin setiap elektron dan nuklei (proton dan netron) dan setiap gaya eksternal yang ada. Probabilitas menemukan molekul pada posisi atau spin tertentu direpresentasikan oleh kuadrat dari amplitudo fungsi gelombang. Dengan kata lain, pada level sub atomik, materi tidak memiliki definisi posisi yang pasti, tetapi lebih ditunjukkan oleh probabilitas. Tetapi Einstein dengan sulit menerima sifat fundamental dari probabilitas dalam konsep kuantum dengan mengatakan, “God does not play dice with the universe” atau “Tuhan tidak bermain dadu dengan alam semesta”.

Teori kuantum telah merevolusi spektroskopi molekuler, salah satu bidang kajian penting dalam riset fotonika. Spektroskopi molekuler, yang berhubungan dengan kajian dari interaksi cahaya dengan materi, telah menjadi dasar dari kelahiran fotonika biomedik sejak pertengahan 1950-an, utamanya karena pondasi teori kuantum. Bagaimana kita bisa mempelajari molekul yang bisa membentuk sel, jaringan, dan organ ketika kebanyakan darinya sangat kecil untuk di lihat bahkan dengan menggunakan miskroskop yang paling canggih sekalipun? Tidak ada jawaban yang sederhana untuk pertanyaan ini, tetapi sebagian besar informasi bisa kita dapatkan dari beberapa teknik spektroskopi molekuler.

Konsep klasik masih menyajikan cara yang tidak mudah untuk menjelaskan interaksi antara cahaya dengan materi. Penjelasan yang paling lengkap dan memuaskan dari absorpsi dan emisi cahaya oleh materi adalah berdasarkan pada mekanika gelombang bergantung waktu. Penjelasan tersebut menganalisa apa yang terjadi pada fungsi gelombang dari molekul dengan kehadiran cahaya. Cahaya dengan cepat mengosilasi medan elektromagnetik. Materi (termasuk juga di dalamnya spesies hidup) tersusun atas molekul, yang terdiri dari distribusi muatan dan spin yang memberikan sifat-sifat elektrik dan magnetik pada materi. Distribusi ini berubah ketika molekul tersebut di kenai cahaya.

Penemuan  teori kuantum tidak hanya melahirkan bidang kajian baru dari spektroskopi molekuler tetapi juga pada pengembangan dari perangkat alat fotonika yang canggih untuk mengeksplorasi alam dan pemahaman panyebab penyakit pada level dasar. Pada intinya arus pengetahuan kita adalah bagaimana molekul berikatan bersama-sama, bagaimana struktur dari DNA yang menyebabkan sel bisa tumbuh, bagaimana perkembangan penyakit pada level molekuler dengan basis utamanya dalam teori kuantum.

Dengan spektroskopi molekuler, cahaya dapat digunakan dalam banyak cara berbeda untuk menganalisis sistem biologi kompleks dan memahami alam pada level molekuler. Cahaya dengan panjang gelombang (λ) tertentu (atau frekuensi ν) digunakan untuk mengiradiasi sampel (misalnya, cairan tubuh, jaringan, atau organ) dalam sebuah proses yang dinamakan dengan eksitasi. Beberapa analisis yang berhubungan dengan  indeks radiasi datang yang terabsorpsi oleh sampel; teknik yang termasuk di dalamnya yang dinamakan dengan spektroskopis absorpsi (misalnya, teknik absorpsi ultraviolet, cahaya tampak, dan inframerah). Analisis lain yang memperlakukan radiasi datang yang terdisipasi dan terpantul kembali dari sampel (teknik hamburan elastik). Dengan kata lain, dimungkinkan untuk menghitung emisi dan hamburan cahaya oleh sampel, yang terjadi pada panjang gelombang yang berbeda dengan panjang gelombang eksitasi; pada kasus ini, tekniknya termasuk fluoresense, fosforesense, hamburan Raman, dan hamburan tak elastik. Teknik khusus lainnya dapat juga digunakan untuk mendeteksi sifat-sifat spesifik dari emisi cahaya (dikroisme sirkular, polarisasi, lifetime, dan lainnya).

Jangkauan panjang gelombang yang digunakan dalam spektroskopi molekuler untuk mempelajari molekul biologi adalah cukup lebar. Teknik spektroskopi molekuler telah mengawali pada pengembangan dari banyak variasi teknik praktis untuk meminimalkan pengamatan secara invasif. Sebagai contoh, Britton Chance dan rekan kerjanya telah mengembangkan dan menggunakan teknik absorpsi pada gelombang dekat inframerah untuk mengamati proses fisiologi dan fungsi otak secara non invasif. Sekarang, banyak variasi dari teknik spektroskopi molekuler, termasuk fluoresense, hamburan Raman, bioluminesense, telah dikembangkan untuk diagnosis kanker, pengamatan penyakit, dan penemuan obat. Tabel 1.1 menyajikan beberapa tipe lain dari spektroskopi dan panjang gelombang radiasi elektromagnetik.

Tabel 1.1 Teknik Spektroskopi untuk Aplikasi Biologis dan Biomedis

Revolusi Teknologi

Dalam dunia barat, sains lebih sering diasosiasikan dengan riset dasar dan ilmu teoretik, sedangkan teknologi lebih sering dipandang sebagai sesuatu yang berasal dari kajian eksperimental dan aplikasi. Walaupun pengakuan sains aplikasi telah diakui sangat lama oleh matematikawan Heron, ilmuwan yang telah mendirikan Institut Teknologi pertama di Alexandria pada 105 Sebelum masehi, sains dan teknologi telah terpisah sangat jauh sejak awal-awal Yunani. Tradisi Aristotelian mengatakan bahwa hukum yang mengatur alam semesta dapat dipahami dengan gagasan teoretis, tanpa membutuhkan suatu observasi eksperimental. Pada abad ke 17, sains dan teknologi mulai saling bergantung satu sama lain. Galileo Galilei menjadi tokoh yang sangat berpengaruh dalam revolusi ilmiah dengan observasi eksperimentalnya pada pergerakan benda dengan menggelindingkan bola dengan berat yang berbeda pada lereng yang curam. Dia juga memperbaiki instrument optik yang penting, teleskop, yang membawa pada penemuan revolusionernya dalam bidang astronomi.

Pengembangan dan penggunaan mikroskop telah memberikan contoh adanya saling kebergantungan antara sains dan teknologi. Sangatlah  jelas bahwa mikroskop merupakan penemuan instrument praktis yang membawa kepada penemuan fundamental yang mendukung teori kuman pada penyakit dua abad sebelumnya. Abad ke 17 menyaksikan pengangkatan dan penyebaran dari pengetahuan eksperimental. Kebergantungan ini mulai muncul ketika orang mulai percaya bahwa sains haruslah bermanfaat dan dapat diaplikasikan. Francis bacon menganjurkan empirisnya, metode investigasi induktif dan memperkirakan aturan desain eksperimental untuk menguji dan membuktikan hipotesis dengan menggunakan proses induksi.

Descrates mengajukan pandangan mekanika dunia secara lengkap, semua bidang fisis dari sebuah obyek yang bergerak sesuai dengan hukum-hukum fisika dan prinsip geometri; ini merepresentasikan keberangkatan radikal dari pandangan yang lebih abstrak yang ditujukan kembali pada Aristotle. Bapak Filosofi matematis rasionalistik, Descrates juga berpengaruh dalam sokongan dengan apa yang dia namakan “filosofi praktis” dan ide bahwa pengetahuan haruslah dapat diaplikasikan untuk barang-barang umum bagi umat manusia. Bertentangan dengan rasionalisme Cartesian yang berdasarkan pada teori gagasan dan alasan, ahli filsafat Inggris David Hume memformulasikan filosofi empirismenya, yang berkenaan dengan observasi empiris dengan pengertian hanya pada pengetahuan yang dapat dipercaya.

Segera setelah itu, ahli filsafat Jerman Immanuel Kant membangun jembatan di antara gagasan teori dan pandangannya dan menyatukan pembagian filosofi diantara rasionalis dan empiris. (yang biasa disebut dengan Pertarungan Descrates lawan Hume). Dalam Filosofi Kantian, struktur kesadaran, melalui sebuah aktifitas pemikiran yang dinamakan dengan “sintesis,” di mana observasi dilakukan dengan menggunakan pengertian obyek dan persepsinya, tanpa ini tidak akan berarti apa-apa. Kant membuat aturan untuk kedua elemen, empiris dan rasionalis dengan memasukkan elemen rasional dalam teori pengetahuannya (12 pemahaman konsep rasional) dengan publikasinya pada tahun 1781,sebuah karya  yang cukup berpengaruh, The Critique of Pure Reason.

Pada abad ke 19 kebergantungan antara sains dan teknologi menjadi lebih penting, puncaknya dalam pentingnya penemuan teknologi elektrik dan induksi elektromagnetik oleh Michael Faraday pada 1831, telegraf listrik pertama pada 1837 oleh Charles Wheaton, dan penemuan bola lampu pijar pada 1879 oleh Thomas Edison di New Jersey dan Joseph Swan di Inggris. Penemuan bola lampu telah membayangi revolusi selanjutnya dalam fotonika pada abad ke 20. Di bawah ini akan mendiskusikan tiga contoh penting perkembangan teknologi yang dengan hebat mempengaruhi fotonika biomedik.

1.      Laser

Penemuan laser telah menjadi batu loncatan yang penting dalam perkembangan fotonika biomedik. Laser menjadi sumber cahaya yang paling sering digunakan untuk mengeksitasi jaringan untuk diagnosa penyakit dan juga untuk mengiradiasi tumor dengan perlakuan yang berbeda dari biasanya. Kata “laser” adalah kependekan dari “light amplification by stimulated emission of radiation” atau penguatan cahaya dengan emisi radiasi yang terstimulasi. Einstein, orang yang mempostulatkan foton dan fenomena emisi terstimulasi dianggap sebagai bapak laser. Setelah Arthur Schawlow dan Carles Townes mempublikasikan makalah mereka pada kemungkinan aksi laser dalam spektrum infra merah dan cahaya tampak, yang tidak lama kemudian di ikuti dengan banyak riset yang dengan serius membuat alat-alat praktis. Laser optis pertama yang sukses dikonstruksi oleh Maiman pada tahun 1960, yang terdiri dari Kristal batu delima yang dikelilingi oleh tabung pemantul helicoidal dalam rongga alumunium silinder yang didinginkan oleh udara. Cahaya dikuatkan (laser aksi) dalam silinder yang membentuk rongga fabry-Perot dengan pemolesan ujung secara optis agar parallel terhadap panjang gelombang cahaya ketiga. Masing-masing ujungnya dilapisi dengan uap perak, salah satu ujungnya dibuat kurang reflektif agar terjadi berkas sinar laser

Gambar 1.4. Probe serat optik digunakan untuk diagnosa laser induksi kanker secara in vivo. Laser induksi fluoresense telah digunakan untuk endoskopi gastrointestinal (GI) untuk diagnosa kanker secara langsung pada pasien tanpa membutuhkan biopsi fisis. Probe serat optik dimasukkan ke dalam channel biopsi dalam sebuah endoskop (A). probe serat optik dengan jelas menyentuh permukaan jaringan GI yang dimonitor (B).

Laser sekarang digunakan sebagai sumber cahaya eksitasi dalam diagnosa penyakit dan sebagai pembedahan menyeluruh yang tidak biasa (secara infasif). Laser merupakan sumber cahaya ideal karena sifat monokromatis dan intensitasnya, laser dapat dipasangkan dengan serat optik yang dimasukkan secara endoskopi untuk diagnosa penyakit secara in vivo (gambar 1.4). laser juga memiliki keuntungan lain, yaitu meningkatkan presisi dan mengurangi angka infeksi dan pendarahan. Komputer juga dapat digunakan untuk mengontrol intensitas dan arah dari tembakan laser, sehingga dapat mengurangi kesalahan manusia (human error). Laser jaman sekarang biasanya digunakan untuk melakukan pembedahan pada kulit dan dapat digunakan untuk menghilangkan kerutan, tato, tanda lahir, tumor, dan kutil. Pertumbuhan yang tidak normal juga dapat dihilangkan dengan menggunakan laser. Laser dapat juga digunakan untuk mengobati penyakit mata, pada beberapa individu permasalahan penglihatan dapat dibenahi dengan pembedahan laser. Laser dapat digunakan untuk membantu untuk mengobati beberapa bentuk glaucoma dan gangguan mata yang berhubungan dengan diabetes dan sedang akan dilakukan penyatuan dengan prosedur pembedahan untuk bagian tubuh yang lain. Ini termasuk hati, kelenjar prostat, dan kerongkongan. Laser juga digunakan untuk membuka sumbatan arteri dan halangan yang disebabkan oleh tumor. Pisau dan alat-alat bedah mungkin suatu hari akan digantikan fungsinya oleh laser.

2.      Mikrocip

Adanya mikrocip adalah sebuah perkembangan penting lain yang secara signifikan mempengaruhi evolusi dari fotonika biomedik. Mengingat bahwa penemuan laser telah menyajikan teknologi baru untuk eksitasi, miniaturisasi dan  produksi yang banyak sekali dari alat-alat sensor dan sirkuit elektronik yang berhubungan telah secara radikal mengubah cara-cara deteksi dan penggambaran molekul, jaringan dan organ dapat dilakukan secara in vivo dan ex vivo.

Gambar 1.5 Teknologi mikrocip memungkinkan pembuatan microelectronic circuit (mikrocip) dan detektor fotonika seperti  PDA, kamera CCD, dan sensor CMOS dalam skala besar dengan biaya yang cukup murah untuk membuka pangsa pasar dan mengijinkan perluasan penggunaan alat-alat tersebut dalam spektroskopi biomedik, pencitraan molekuler dan diagnosa klinik. (Foto dari laboratorium Oak Ridge National, Tennesse.)

Teknologi mikrocip datang dari pengembangan dan perluasan penggunaan IC (integrated circuit) dalam skala besar, yang terdiri dari ratusan hingga ribuan komponen elektronik yang dikemas dalam cip tunggal yang tipis yang dapat diproduksi secara masal dengan harga yang lumayan murah (Gambar 1.5). teknologi ini memungkinkan pembuatan microelectronic circuit (mikrocip) dan detector fotonika seperti  PDA (photodiode arrays), kamera CCD (Charge-coupled device), dan sensor CMOS (complementary metal oxide silicon) dalam skala besar dengan biaya yang cukup murah untuk membuka pangsa pasar dan mengijinkan perluasan penggunaan alat-alat tersebut dalam spektroskopi biomedik dan pencitraan molekuler. Miniaturisasi dan evolusi dari teknologi IC berlanjut pada pemberian contoh fenomena yang dikenal dengan “hokum Moore.” Observasi yang dilakukan oleh Intel Corporation yang didirikan oleh Gordon Moore pada 1965 yang mengatakan bahwa jumlah komponen dari chip IC yang paling komplek akan menjadi dua kali pada masing-masing tahun untuk 10 tahun ke depan. Hokum Moore ada berkenaan dengan kelanjutan pengurangan ukuran  chip dan penurunan eksponensial dalam harga per fungsi chip yang dapat dibuat pada sebuah IC.

Miniaturisasi dari sensor optik kerapatan tinggi secara kritis berkembang pada inovasi metode pencitraan resolusi tinggi pada skala selular maupun molekuler yang mampu mengidentifikasi dan mengkarakterisasi ketidaknormalan dini yang membahayakan atau perubahan seluler lain. Detektor pencitraan fotonika menyajikan solusi untuk sensor pencitraan mikroskopik in vivo atau mikroskop implant dengan kontras spasial dan resolusi temporal.

Selama 10 tahun terakhir, terdapat ledakan riset dalam fotonika biomedik, yang menghasilkan sejumlah publikasi, konvensi, dan tawaran pabrikan untuk produk baru dalam bidang tersebut. Miniaturisasi sensor telah memberikan kemajuan dalam teknologi pencitraan medis selama lebih dari 25 tahun terakhir dalam beberapa area seperti MRI (magnetic resonance imaging), tomografi komputer, medis inti, dan pencitraan optik dan ultrasonik dalam penyakit. Perkembangan teknologi sensor multichannel telah membawa kepada perkembangan teknologi pencitraan fotonika baru yang mengeksploitasi arus pengetahuan yang berbasis molekular dan genetika untuk penyakit-penyakit berbahaya seperti kanker. Penemuan biologi molekular ini telah memberikan implikasi besar untuk pencegahan, pendeteksian dan juga terapi.

3.      Teknologi Nano

Akhirnya, teknologi nano dengan menyertakan riset, perkembangan material dan mempunyai spesifikasi pada skala diantara 1 hingga 100 nm, telah sedang merevolusi area penting dalam fotonika biomedik, khususnya diagnosa dan terapi pada level molekuler dan seluler. Kombinasi dari teknologi nano molekuler dan fotonika membuka kemungkinan dalam mendeteksi dan memanipulasi atom dan molekul menggunakan alat-alat nano yang memiliki potensi untuk pengembangan variasi dalam penggunaan medis pada level seluler.

Sekarang, jumlah riset dalam ilmu dan teknik biomedik pada level molekuler tumbuh secara eksponensial karena tersedianya alat nano baru dalam investigasi. Alat analitik baru ini mampu untuk menyelidiki dunia nanometer dan akan mungkin untuk mengkarakterisasi sifat-sifat kimia dan mekanik sel, menemukan fenomena dan prosesnya, dan menyajikan ilmu pengetahuan dengan jangkauan yang luas dari, alat-alat, material, dan sistem dengan karakteristik unik. Perkawinan elektronika, biomaterial, dan fotonika diharapkan dapat merevolusi banyak area dalam medis pada abad ke 21. Impian mengenai robot nano yang bergerak melewati aliran darah yang dipersenjatai dengan antibodi yang berdasarkan pemeriksa nano dan tembakan laser nano yang dapat mengenal dan membunuh sel kanker mungkin suatu saat akan menjadi mimpi yang menjadi kenyataan.

Kombinasi fotonika dan teknologi nano telah membawa kepada generasi baru dari peralatan yang menyelidiki sel-sel penggerak dan menjelaskan secara mendalam proses kehidupan yang terjadi pada level molekular yang sebelumnya tidak kelihatan pada penyelidikan manusia. Penelusuran proses biomedik dalam lingkungan intraseluler sekarang dapat dilakukan secara in vivo dengan penggunaan alat molekuler fluoresen (Gambar 1.6) dan sensor nano (Gambar 1.7). Dengan alat mikroskop berdaya tinggi menggunakan bidang dekat optis, ilmuwan sekarang dapat mengeksplorasi proses biokimia dan struktur submikroskopik dari kehidupan sel pada resolusi yang belum pernah dilakukan. Sekarang pun memungkinkan untuk mengembangkan pembawa nano untuk pengirim obat yang kulitnya terkonjugasi dengan antibodi untuk mentargetkan antigen dan kromofor fluoroesen untuk penelusuran secara in vivo.

Kemungkinan untuk membuat komponen skala nano telah memmbawa kepada pengembangan alat dan teknologi yang dapat digunakan untuk mengukur parameter fundamental pada level molekuler. Dengan teknik “penjepit optis” (optical tweezer), partikel kecil dapat dijebak oleh tekanan radiasi dalam volume fokal intensitas tinggi, yaitu berkas cahaya yang difokuskan. Teknik ini, juga dikenal dengan “penjebak optis,” yang mugkin dapat digunakan untuk memindahkan sel-sel kecil atau organel-organel subseluler ke daerah disekitar yang diinginkan dengan menggunakan sebuah pemandu berkas yang difokuskan. Misalnya, sebuah butiran partikel kecil yang terlapisi bahan yang diam, probe bioaktif dapat dimasukkan ke dalam jaringan atau bahkan sel dan memindahkan butiran partikel tersebut ke lokasi strategis tertentu oleh sebuah sistem penangkap optis.

Gambar 1.6. Proses biokimia dalam sel saraf dapat diselidiki menggunakan protein fluoresen hijau. Penyelidikan proses biokimia sekarang dapat dilakukan dengan menggunakan probe fluoresen. Misalnya, keinginan kuat dalam memahami posisi dan perpindahan faktor neurotropik seperti brain derived neurotropic factor (BDNF) diantara sel saraf. Gambar ini  mengilustraskan penggunaan BDNF yang ditandai dengan protein fluoresen hijau untuk mengikuti transport sinapsis dari akson ke neouron hingga ke sel pstsinapsis.

Gambar 1.7 Nano sensor serat optik dengan probe antibodi digunakan untuk mendeteksi proses biokimia dalam sel tunggal. Kombinasi fotonika dan teknologi nano telah membawa kepada generasi baru dari peralatan yang penyelidikan sel-sel penggerak dan menjelaskan secara mendalam proses kehidupan yang terjadi pada level molecular yang sebelumnya tidak kelihatan pada penyelidikan manusia. Pada bagian kiri bawah gambar menunjukkan fotograp elektron dari serat nano dengan diameter 40 nm. Probe dengan ukuran yang kecil mengijinkan untuk memanipulasi probe nano pada lokasi spesifik di dalam sel tunggal.

Penjepit optis dapat juga digunakan untuk menentukan dengan akurat sifat-sifat mekanik dari molekul tunggal kolagen, sebuah komponen jaringan penting dan faktor kritis dalam pendiaknosaan kanker dan proses penuaan. Metode penjepit optis menggunakan momentum berkas laser yang difokuskan untuk menangkap dan merenggangkan ikatan molekul tunggal kolagen menjadi butiran polystyrene. Molekul kolagen yang direntangkan hingga menjadi butiran-butiran dengan menggunakan sistem penjepit laser optis, dan deformasi ikatan molekul kolagennya dihitung sebagai perpindahan relatif dari butiran mikro, yang diukur oleh mikroskop optis. Kecerdikan sistem penangkap optis juga telah sedang digunakan untuk mengukur gaya yang digunakan oleh protein penggerak sel.

Pengembangan terbaru dalam bidang biosensor telah mengembangakan nanobiosensor optik, yang memiliki dimensi pada skala ukuran nanometer. Diameter ujung dari serat optis yang digunakan dalam sensor ini memiliki jangkauan di antara 20 hingga 100 nm. Penggunaan nanobiosensor ini telah mungkin untuk menyelidiki spesies kimia individu dalam lokasi spesifik tertentu dalam sel hidup. Gambar 1.7 menunjukkan foto dari nanoprobe serat optik dengan antibodies targeted to benzopyrene tetrol (BPT) dan didesain untuk mendeteksi BPT dalam sel tunggal. Keuntungan penting melakukan sensor optikal adalah kapabilitas pengukuran parameter biologis secara non invasive atau invasive minimal dengan ukuran nanoprobe yang sangat kecil.

Teknologi fotonika ini adalah hanya beberapa contoh dari alat nanofotonika generasi baru yang memiliki potensi mengubah pemahaman fundamental secara drastis pada proses kehidupan. Fotonika nano akhirnya bisa membawa kepada pengembangan perlakuan baru diagnosa dini dan pengobatan medis dan pencegahan di luar level selular hingga pada organel-organel individu dan bahkan DNA.

Revolusi Genom

Publikasi James Watson dan Francis Crick mengenai struktur spiral DNA pada 1953 dapat dianggap sebagai prestasi pertama yang mengawali revolusi genom pada abad ke-21. Hampir 50 tahun setelah penemuan penting ini, kelengkapan dari peruntunan genom manusia menendai penemuan penting kedua dalam arean genetika molekuler. Naskah yang dipublikasikan mencapai 90% porsi eukromatik genom manusia, yang kebanyakan terdiri dari gen. Gambar 1.8 menggambarkan perkembangan ilmiah yang dicapai dalam penelitian genomika dan protomika sejak penemuan struktur DNA.

Perkembangan tersebut sangat berguna untuk mendapatkan gambaran singkat dari prestasi yang sangat luar biasa pada abad 21 dalam biologi molekuler, yang dikenal dengan Human Genome Project (Proyek Genom Manusia). Proyek ini dilatarbelakangi oleh sebuah inisiatif dari U.S. Departemen of Energy (DOE) atau kementrian energy Amerika Serikat. Pada 1986, DOE mengumumkan inisiatif genom manusianya, yang mempercayai bahwa pengetahuan yang tepat dari seruntutan referensi genom manusia akan sangat penting untuk misinya dalam mengejar pengetahuannya yang mendapal mengenai potensi kesehatan dan resiko lingkungan dalam produksi energy dan penggunaannya. Segera setelah itu, DOE dan National Institute of Health (NIH) menjadi tim untuk mengembangkan rencana dalam gabungan Human Genome Project (HGP) yang dimulai pada tahun 1990.

Dari awal mula proyek HGP, teknologi fotonika menyajikan perangkat penting untuk mempercepat proses peruntutan DNA. Pada 1986, Leroy dan rekan-rekannya menjelaskan teknik baru dalam peruntutan DNA dengan jalan mencelupkan empat fluoresen yang dimasukkan ke dalam DNA  yang berfungsi sebagai pelabelan radioaktif dan dibaca pada film sinar-X. Skema pendeteksian fotonika seperti ini, yang menyebabkan DNA menjadi satu jalur tunggal dan kemudian disinari oleh laser yang dihasilkan dari empat label fluoresen untuk dibaca oleh computer, telah menjadi sebuah usaha peruntutan DNA yang sangat pesat.

Gambar 1.8 Perkembangan revolusi genom sejak penemuan struktur helix DNA yang telah menghasilkan informasi, pendekatan, dan teknologi baru untuk proses penemuan obat. Aplikasi penting dari pengetahuan ini adalah penemuan sejumlah besar obat dan kustomisasi medis

Pada Juni tahun 2000, ilmuwan mengumumkan prestasi biologi yang paling spektakuler, generasi draf penuntutan yang bekerja dari genom manusia. Dalam pengkonstruksian draf tersebut, 16 pusat rangkaian genom diproduksi oleh lebih dari 22,1 miliar basis rangkaian raw data, berisikan fragmen yang saling overlap dengan total 3,9 miliar basis dan menunjukkan untaian genom manusia sebanyak tujuh kali (terangkai tujuh kali). Salah satu pengaruh terbesar dari pengetahuan peruntutan genom ini adalah keberadaan dari pendekatan baru penelitian biomedik. Pada masa lalu, peneliti mempelajari satu atau beberapa gen dalam satu waktu. Dengan seruntutan genom tersebut , dengan teknologi tingkat tinggi, mereka dapat melakukan pengalamatan biologi dan mempelajari permasalahan medis secara sistemik dan dalam skala yang lebih besaru untuk permasalahan yang lebih masif. Sekarang dimungkinkan untuk menginvestigasi sejumlah besar gen dalam genom, atau variasi produk gen dalam jaringan atau organ terpisah, ataupun tumor. Mereka juga dapat mempelajari puluhan ribu gen dan protein bekerja bersama dalam jaringan interkoneksi untuk mengatur proses kimia dalam kehidupan. Spesifik gen telah menunjuk dan terasosiasi dengan sejumlah besar penyakit dan kelainan termasuk di dalamnya kanker payudara, penyakit otot, buta, dan tuli.

catatan: Tulisan yang dimuat di atas adalah karya terjemahan bebas dari salah satu bab dalam buku Biomedical Photonics Handbook karangan Tuan Vo Dinh. Segala isi yang dimuat diluar tanggungjawab penterjemah.

About Dedy Kurniawan Setyoko

saya adalah lulusan fisika universitas airlangga, karena saya adalah seorang fisikawan, tentunya saya sangat menyukai dunia fisika. Dalam blog ini saya akan mengutarakan semua ide-ide saya. View all posts by Dedy Kurniawan Setyoko

4 responses to “Fotonika Biomedik: Revolusi pada Pertemuan Sains dan Teknologi

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: