Gevoelige detectie en beeldvorming in bio-micro-omgevingen is zeer gewenst in biofotonische en biomedische toepassingen. Echter, conventionele fotonische materialen vertonen onvermijdelijk onverenigbaarheid en invasiviteit met biosystemen. Om dit probleem aan te pakken, Wetenschappers in China beoordeelden recente vorderingen van biofotonische sondes, inclusief bio-lasers, biofotonische golfgeleiders, en bio-microlenzen, gemaakt van biologische entiteiten met inherente biocompatibiliteit en minimale invasiviteit, met toepassingen voor biodetectie en beeldvorming. Deze biofotonische sondes openen geheel nieuwe vensters voor biofotonisch onderzoek en biomedische toepassingen.

De snelle ontwikkeling van biofotonica en biomedische wetenschappen stelt hoge eisen aan fotonische structuren die licht op kleine schaal kunnen manipuleren voor gevoelige detectie van biologische signalen en nauwkeurige beeldvorming van cellulaire structuren in bio-micro-omgevingen. Helaas, conventionele fotonische structuren op basis van kunstmatige materialen (anorganisch of toxisch organisch) vertonen onvermijdelijk incompatibiliteit en invasiviteit wanneer ze worden gekoppeld aan biologische systemen. Het ontwerp van biofotonische sondes uit de overvloedige natuurlijke materialen, met name biologische entiteiten zoals virussen, cellen en weefsels, met het vermogen van multifunctionele lichtmanipulatie op doellocaties kan de biocompatibiliteit aanzienlijk worden verhoogd en de invasiviteit van de biologische micro-omgeving worden geminimaliseerd.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Baojun Li en professor Hongbao Xin van het Institute of Nanophotonics, Jinan-universiteit, China, besprak de intrigerende vorderingen van opkomende biofotonische sondes gemaakt van biologische entiteiten, zoals virussen, bacteriën, cellen en weefsels, voor biodetectie en beeldvorming. Ze beoordeelden systematisch drie biofotonische sondes met verschillende optische functies, d.w.z., biologische lasers voor lichtgeneratie, celgebaseerde biofotonische golfgeleiders voor lichttransport, en bio-microlenzen voor lichtmodulatie.

Om hun potentiële biomedische toepassingen van fotonische sondes te realiseren, effectieve controle en modulatie van lichtgeneratie zijn bijzonder belangrijk in verschillende biochemische omgevingen. In dit verband, de unieke eigenschappen van licht dat door lasers wordt uitgestraald, inclusief hoge intensiteit, directionaliteit en monochromatische emissie, hebben lasers tot een van de meest bruikbare instrumenten in biomedische toepassingen gemaakt. In tegenstelling tot traditionele laserapparaten, bio-lasers maken gebruik van biologische entiteiten zoals cellen, weefsels en virussen, als onderdeel van de caviteit en/of gain medium in een biologisch systeem. Bio-lasers kunnen worden onderverdeeld in drie soorten, d.w.z., cel lasers, weefsellasers en viruslasers. Deze bio-lasers vermijden de biologische gevaren van conventionele laserapparaten. Omdat hun optische output nauw verband houdt met de biologische structuren en activiteiten van de biologische systemen, biolasers kunnen dienen als zeer gevoelige instrumenten in een reeks biomedische toepassingen, inclusief cellulaire tagging en tracking, diagnostiek, intracellulaire waarneming, en nieuwe beeldvorming. Bijvoorbeeld, Whispering Gallery Modes (WGM) microschijven met iets verschillende diameters resulteerden in duidelijk verschillende laseroutputspectra. Intracellulaire cellasers gerealiseerd door deze microschijven in cellen op te nemen, maakten het tegelijkertijd taggen en volgen van individuele cellen van grote celpopulaties mogelijk.

Naast biolasers voor biodetectie en beeldvorming in biologische systemen, optische golfgeleiders spelen ook een belangrijke rol in bio-micro-omgevingen. Als hoofdbestanddeel voor licht transport, optische golfgeleiders kunnen lichtsignalen leveren in bio-micro-omgevingen voor verdere real-time analyse, en optische golfgeleiders spelen een onvervangbare rol om de weefselpenetratielimiet van licht te doorbreken door licht naar diepe weefsels te transporteren. Om het probleem van invasiviteit en lage biocompatibiliteit van conventionele op materialen gebaseerde optische golfgeleiders op te lossen, levende cellen hebben een enorm potentieel voor in situ vorming van biofotonische golfgeleiders die inherent elastisch zijn, biocompatibel, en biologisch afbreekbaar. De brekingsindex van biologische cellen (ongeveer 1,38) is iets hoger dan die van water (ongeveer 1,33), waardoor licht door een keten van cellen wordt geleid door totale interne reflectie op het grensvlak van het celmembraan en het water. Een haalbare en niet-invasieve benadering om celgebaseerde biofotonische golfgeleiders te assembleren, is optische trapping. Door laserlicht te gebruiken dat wordt gelanceerd door een taps toelopende optische vezel, biofotonische golfgeleiders kunnen worden gevormd door een keten van bacteriecellen samen te stellen door middel van optische kracht. Lichtvoortplanting is toegestaan ​​via celketens van meer dan tientallen microns. In een ander geval, niet-lineaire optische effecten zijn ook toegepast voor de vorming van biofotonische golfgeleiders op basis van levende cellen, inclusief algen en rode bloedcellen (RBC's), het bereiken van stabiele langeafstandspropagatie van licht met weinig verlies in biologische omgevingen. Deze op cellen gebaseerde biofotonische golfgeleiders kunnen worden uitgevoerd als een biofotonische sonde voor celbeeldvorming en biologische detectie van micro-omgevingen. Bijvoorbeeld, biofotonische golfgeleiders gevormd door RBC's bieden een potentiële detectietechniek voor het meten van de pH van het bloed en de diagnose van bloedgerelateerde aandoeningen.

Optische lenzen zijn een ander belangrijk optisch apparaat dat is ontworpen voor lichtmodulatie. interessant, sommige levende biologische cellen kunnen licht in biologische systemen opsluiten, fungeren als bio-microlenzen. Een typisch voorbeeld zijn de cyanobacteriën, die fungeren als sferische microlenzen, licht opsluiten in een brandpunt nabij het plasmamembraan aan de achterzijde van de lichtbron. Op een hoger niveau van cellulaire complexiteit, veel zoogdiercellen vertonen ook lensgedrag. De intrinsieke vervormbaarheid en het ontbreken van kern en organellen maken RBC tot een soort schijfvormige microgestructureerde envelop die kan worden geëxploiteerd als aanpasbare bio-microlens. Aangezien morfologische afwijkingen van rode bloedcellen nauw verbonden zijn met bloedgerelateerde ziekten, RBC's met biolenserende eigenschap kunnen worden gebruikt als een niet-invasieve, etiketvrij, en snelle screeningtool om abnormale RBC's van gezonde gevallen te identificeren. De biologische cellen zijn ook toegepast als biomagnifier voor labelvrije beeldvorming van levende cellen of andere nanostructuren.

Deze biofotonische sondes openen geheel nieuwe mogelijkheden voor biofotonisch onderzoek en ook voor biomedische toepassingen, bijv. bio-lasers voor biodetectie, celmarkering en weefselbeeldvorming, biofotonische golfgeleiders op basis van levende cellen voor optische detectie en detectie, en biomicrolenzen voor eencellige beeldvorming en bloeddiagnostiek. In vergelijking met conventionele fotonische componenten, deze biofotonische sondes vertonen veel opmerkelijke voordelen. Eerst, ze bieden inherente en gunstige mogelijkheden voor biocompatibiliteit en biologische afbreekbaarheid in vergelijking met traditionele synthetische materialen. Aanvullend, de ontwikkeling van biofotonische sondes die biologische cellen/weefsels gebruiken, laat deze biologische entiteiten tegelijkertijd dienen als optische componenten en testmonsters, die in vivo en realtime detectie vergemakkelijken, detectie, en beeldvorming.

Ondanks de aanzienlijke vooruitgang die al is geboekt, de auteurs benadrukken dat de algemene ontwikkeling van biofotonische sondes nog in de kinderschoenen staat en dat er nog veel moet worden onderzocht. Ze merkten op dat er nog meer inspanningen nodig zijn om de brede en diverse familie van levende organismen die geschikt zijn om als fotonische sondes te dienen, volledig te begrijpen en te ontdekken. Daarnaast, tot dusver, de meeste concepten en technieken zijn aangetoond door in vitro of dierstudies als proof on concept. Veel toekomstig werk is nodig om de haalbaarheid in preklinische en klinische praktische toepassingen te bewijzen. Ze suggereerden ook dat biofotonische sondes, bijvoorbeeld, bio-microlenzen, geïntegreerd in een smartphone-gebaseerd platform heeft een groot potentieel in biodetectie, in beeld brengen, moleculaire diagnose met klinische monsters op een draagbare manier in realtime, wat van groot belang is in regio's met beperkte middelen.