Biofotoniske prober til biodetektion og billeddannelse

Følsom detektion og billeddannelse i bio-mikromiljø er meget ønsket i biofotoniske og biomedicinske applikationer. Imidlertid, konventionelle fotoniske materialer viser uundgåeligt uforenelighed og invasivitet over for biosystemer. For at løse dette problem, Forskere i Kina gennemgik de seneste fremskridt med biofotoniske sonder, herunder biolasere, biofotoniske bølgeledere, og bio-mikrolenser, lavet af biologiske enheder med iboende biokompatibilitet og minimal invasivitet, med applikationer til biodetektion og billeddannelse. Disse biofotoniske sonder åbner helt nye vinduer for biofotoniske undersøgelser og biomedicinske anvendelser.

Den hurtige udvikling af biofotonik og biomedicinske videnskaber stiller høje krav til fotoniske strukturer, der er i stand til at manipulere lys i små skalaer til følsom påvisning af biologiske signaler og præcis billeddannelse af cellulære strukturer i bio-mikromiljø. Desværre, konventionelle fotoniske strukturer baseret på kunstige materialer (enten uorganiske eller giftige organiske) viser uundgåeligt inkompatibilitet og invasivitet, når de interfacerer med biologiske systemer. Designet af biofotoniske sonder fra de rigelige naturlige materialer, især biologiske enheder såsom virus, celler og væv, med evnen til multifunktionel lysmanipulation på målsteder kan i høj grad øge biokompatibiliteten og minimere invasiviteten til biologisk mikromiljø.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Baojun Li og professor Hongbao Xin fra Institute of Nanophotonics, Jinan Universitet, Kina, gennemgik de spændende fremskridt for nye biofotoniske prober lavet af biologiske enheder, såsom virus, bakterie, celler og væv, til biodetektion og billeddannelse. De gennemgik systematisk tre biofotoniske prober med forskellige optiske funktioner, dvs. biologiske lasere til lysgenerering, cellebaserede biofotoniske bølgeledere til lystransport, og bio-mikrolenser til lysmodulation.

For at realisere deres potentielle biomedicinske anvendelser af fotoniske prober, effektiv kontrol og modulering af lysgenerering er særlig vigtig i forskellige biokemiske miljøer. I denne forbindelse de unikke egenskaber ved lys udsendt af lasere, inklusive høj intensitet, retningsbestemt og monokromatisk emission, har gjort lasere til et af de mest nyttige værktøjer i biomedicinske applikationer. I modsætning til traditionelle laserenheder, biolasere anvender biologiske enheder såsom celler, væv og virus, som en del af hulrummet og/eller forstærkningsmediet i et biologisk system. Bio-lasere kan kategoriseres i tre typer, dvs. celle lasere, vævslasere og viruslasere. Disse biolasere undgår biofarerne ved konventionelle laserenheder. Da deres optiske output er tæt forbundet med de biologiske strukturer og aktiviteter i de biologiske systemer, biolasere kan tjene som meget følsomme værktøjer i en række biomedicinske applikationer, herunder mobil tagging og sporing, diagnostik, intracellulær sansning, og ny billedbehandling. For eksempel, whispering gallery modes (WGM) mikrodiske med lidt forskellige diametre resulterede i åbenlyst forskellige laseroutputspektre. Intracellulære cellelasere realiseret ved at inkorporere disse mikrodiske i celler muliggjorde tagging og sporing af individuelle celler fra store cellepopulationer på samme tid.

Ud over biolasere til biodetektion og billeddannelse i biologiske systemer, optiske bølgeledere spiller også vigtige roller i bio-mikromiljøer. Som hovedkomponent til let transport, optiske bølgeledere kan levere lyssignaler i bio-mikromiljøer til yderligere realtidsanalyse, og optiske bølgeledere spiller en uerstattelig rolle for at bryde vævsgennemtrængningsgrænsen for lys ved at transportere lys ind i dybe væv. For at løse problemet med invasivitet og lav biokompatibilitet af konventionelle materialebaserede optiske bølgeledere, levende celler rummer et enormt potentiale for in situ dannelse af biofotoniske bølgeledere, der i sagens natur er elastiske, biokompatibel, og biologisk nedbrydeligt. Brydningsindekset for biologiske celler (omkring 1,38) er lidt højere end for vand (omkring 1,33), således tillader lys at lede gennem en kæde af celler ved total intern refleksion ved grænsefladen mellem cellemembranen og vandet. En mulig og ikke-invasiv tilgang til at samle cellebaserede biofotoniske bølgeledere er optisk fangst. Ved at bruge laserlys lanceret af en tilspidset optisk fiber, biofotoniske bølgeledere kan dannes ved at samle en kæde af bakterieceller gennem optisk kraft. Lys udbredelse er tilladt gennem cellekæder over ti mikrometer. I et andet tilfælde, ikke-lineære optiske effekter er også blevet anvendt til dannelse af biofotoniske bølgeledere baseret på levende celler, herunder alger og røde blodlegemer (RBC'er), opnåelse af stabil langdistanceudbredelse af lys med lavt tab i biologiske miljøer. Disse cellebaserede biofotoniske bølgeledere kan udføres som en biofotonisk probe til cellebilleddannelse og biologisk mikromiljødetektion. For eksempel, biofotoniske bølgeledere dannet af RBC'er giver en potentiel detektionsteknik til blod-pH-sensing og diagnosticering af blodrelaterede lidelser.

Optiske linser er en anden vigtig optisk enhed designet til lysmodulation. Interessant nok, nogle levende biologiske celler kan begrænse lys i biologiske systemer, fungerer som bio-mikrolenser. Et typisk eksempel er cyanobakterier, som fungerer som sfæriske mikrolinser, begrænser lyset til et brændpunkt nær plasmamembranen på bagsiden af ​​lyskilden. På et højere niveau af cellulær kompleksitet, mange pattedyrceller udviser også linseadfærd. Den iboende deformerbarhed og manglen på kerne og organeller gør RBC til en slags skiveformet mikrostruktureret kappe, der kan udnyttes som tilpasningsdygtige bio-mikrolener. Da morfologiske abnormiteter af røde blodlegemer er tæt forbundet med blodrelaterede sygdomme, RBC'er med biolinseegenskaber kan udnyttes som en ikke-invasiv, etiketfri, og hurtigt screeningsværktøj til at identificere unormale røde blodlegemer fra raske tilfælde. De biologiske celler er også blevet anvendt som biomagnifier til mærkefri billeddannelse af levende celler eller andre nanostrukturer.

Disse biofotoniske sonder åbner helt nye muligheder for biofotoniske undersøgelser og også for biomedicinske anvendelser, f.eks., biolasere til biodetektion, cellemærkning og billeddannelse af væv, biofotoniske bølgeledere baseret på levende celler til optisk detektion og sensing, og bio-mikrolenser til enkeltcelle-billeddannelse og bloddiagnostik. Sammenlignet med konventionelle fotoniske komponenter, disse biofotoniske prober udviser mange bemærkelsesværdige fordele. Først, de giver iboende og gunstige muligheder for biokompatibilitet og bionedbrydelighed sammenlignet med traditionelle syntetiske materialer. Derudover udviklingen af ​​biofotoniske prober ved hjælp af biologiske celler/væv lader disse biologiske enheder fungere samtidigt som optiske komponenter og testprøver, som letter in vivo og real-time sensing, opdagelse, og billeddannelse.

På trods af de betydelige fremskridt, der allerede er opnået, forfatterne understreger, at den overordnede udvikling af biofotoniske prober stadig er i sin vorden, og der er stadig meget, der skal udforskes. De bemærkede, at der stadig er behov for flere anstrengelser for fuldt ud at forstå og opdage den brede og mangfoldige familie af levende organismer, der er egnede til at tjene som fotoniske sonder. Udover, indtil nu, de fleste koncepter og teknikker er blevet demonstreret ved in vitro- eller dyreforsøg som bevis på koncept. Meget fremtidigt arbejde er nødvendigt for at bevise gennemførligheden i prækliniske og kliniske praktiske anvendelser. De foreslog også, at biofotoniske sonder, for eksempel, bio-mikrolenser, integreret i en smartphone-baseret platform har et stort potentiale inden for bio-detektion, billeddannelse, molekylær diagnose med kliniske prøver på en bærbar måde i realtid, hvilket er af stor betydning i ressourcebegrænsede regioner.