Känslig detektion och avbildning i biomikromiljö är mycket önskvärt i biofotoniska och biomedicinska tillämpningar. Dock, konventionella fotoniska material visar oundvikligen inkompatibilitet och invasivitet för biosystem. För att lösa detta problem, Forskare i Kina granskade de senaste framstegen med biofotoniska sonder, inklusive biolasrar, biofotoniska vågledare, och biomikrolenser, gjorda av biologiska enheter med inneboende biokompatibilitet och minimal invasivitet, med applikationer för biodetektion och avbildning. Dessa biofotoniska sonder öppnar upp helt nya fönster för biofotoniska undersökningar och biomedicinska tillämpningar.

Den snabba utvecklingen av biofotonik och biomedicinsk vetenskap ställer höga krav på fotoniska strukturer som kan manipulera ljus i små skalor för känslig detektering av biologiska signaler och exakt avbildning av cellulära strukturer i bio-mikromiljö. Tyvärr, Konventionella fotoniska strukturer baserade på artificiella material (antingen oorganiska eller giftiga organiska) visar oundvikligen inkompatibilitet och invasivitet när de samverkar med biologiska system. Utformningen av biofotoniska sonder från de rikliga naturliga materialen, särskilt biologiska enheter som virus, celler och vävnader, med förmågan till multifunktionell ljusmanipulation på målplatser kan avsevärt öka biokompatibiliteten och minimerar invasiviteten för biologisk mikromiljö.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av forskare, ledd av professor Baojun Li och professor Hongbao Xin från Institute of Nanophotonics, Jinan University, Kina, granskade de spännande framstegen med framväxande biofotoniska sonder gjorda av biologiska enheter, som virus, bakterie, celler och vävnader, för biodetektion och avbildning. De granskade systematiskt tre biofotoniska sonder med olika optiska funktioner, dvs. biologiska lasrar för ljusgenerering, cellbaserade biofotoniska vågledare för ljustransport, och biomikrolenser för ljusmodulering.

För att förverkliga deras potentiella biomedicinska tillämpningar av fotoniska sonder, effektiv kontroll och modulering av ljusgenerering är särskilt viktiga i olika biokemiska miljöer. I detta avseende de unika egenskaperna hos ljus som sänds ut av lasrar, inklusive hög intensitet, riktning och monokromatisk emission, har gjort lasrar till ett av de mest användbara verktygen i biomedicinska tillämpningar. Till skillnad från traditionella laserapparater, biolasrar använder biologiska enheter som celler, vävnader och virus, som en del av kaviteten och/eller förstärkningsmedium i ett biologiskt system. Biolasrar kan delas in i tre typer, dvs. celllasrar, vävnadslasrar och viruslasrar. Dessa biolasrar undviker de biologiska riskerna med konventionella laseranordningar. Eftersom deras optiska uteffekt är nära relaterad till de biologiska strukturerna och aktiviteterna i de biologiska systemen, biolasrar kan fungera som mycket känsliga verktyg i en rad biomedicinska tillämpningar, inklusive mobiltaggning och spårning, diagnostik, intracellulär avkänning, och ny bildbehandling. Till exempel, whispering gallery modes (WGM)-mikrodiskar med något olika diametrar resulterade i uppenbarligen olika utsignalspektra. Intracellulära celllasrar realiserade genom att införliva dessa mikrodisketter i celler möjliggjorde märkning och spårning av enskilda celler från stora cellpopulationer samtidigt.

Förutom biolasrar för biodetektion och avbildning i biologiska system, optiska vågledare spelar också viktiga roller i biomikromiljöer. Som huvudkomponent för lätta transporter, optiska vågledare kan leverera ljussignaler i biomikromiljöer för ytterligare realtidsanalys, och optiska vågledare spelar oersättlig roll för att bryta ljusets vävnadspenetrationsgräns genom att transportera ljus in i djupa vävnader. För att lösa problemet med invasivitet och låg biokompatibilitet för konventionella materialbaserade optiska vågledare, levande celler har en enorm potential för in situ-bildning av biofotoniska vågledare som i sig är elastiska, biokompatibel, och biologiskt nedbrytbar. Brytningsindexet för biologiska celler (cirka 1,38) är något högre än för vatten (cirka 1,33), sålunda tillåter ljus att leda genom en kedja av celler genom total intern reflektion vid gränsytan mellan cellmembranet och vattnet. En genomförbar och icke-invasiv metod för att montera cellbaserade biofotoniska vågledare är optisk fångst. Genom att använda laserljus som lanseras av en avsmalnande optisk fiber, biofotoniska vågledare kan bildas genom att sätta ihop en kedja av bakterieceller genom optisk kraft. Ljusspridning tillåts genom cellkedjor över tiotals mikrometer. I ett annat fall, olinjära optiska effekter har också använts för bildande av biofotoniska vågledare baserat på levande celler, inklusive alger och röda blodkroppar (RBC), uppnå stabil långdistansspridning av ljus med låg förlust i biologiska miljöer. Dessa cellbaserade biofotoniska vågledare kan utföras som en biofotonisk sond för cellavbildning och biologisk mikromiljödetektion. Till exempel, biofotoniska vågledare som bildas av röda blodkroppar ger en potentiell detekteringsteknik för avkänning av blodets pH och diagnos av blodrelaterade störningar.

Optiska linser är en annan viktig optisk enhet designad för ljusmodulering. Intressant, vissa levande biologiska celler kan begränsa ljus i biologiska system, fungerar som biomikrolenser. Ett typiskt exempel är cyanobakterierna, som fungerar som sfäriska mikrolinser, begränsar ljus till en brännpunkt nära plasmamembranet på baksidan av ljuskällan. På en högre nivå av cellulär komplexitet, många däggdjursceller uppvisar också linsbeteende. Den inneboende deformerbarheten och avsaknaden av kärnor och organeller gör RBC till ett slags diskformat mikrostrukturerat hölje som kan utnyttjas som anpassningsbara biomikrolener. Eftersom morfologiska abnormiteter hos RBC är nära kopplade till blodrelaterade sjukdomar, RBC med biolinsningsegenskaper kan utnyttjas som en icke-invasiv, etikettfri, och snabbt screeningverktyg för att identifiera onormala RBC från friska fall. De biologiska cellerna har även använts som bioförstoring för etikettfri avbildning av levande celler eller andra nanostrukturer.

Dessa biofotoniska sonder öppnar upp helt nya möjligheter för biofotonisk forskning och även för biomedicinska tillämpningar, t.ex., biolasrar för biodetektion, cellmärkning och vävnadsavbildning, biofotoniska vågledare baserade på levande celler för optisk detektion och avkänning, och biomikrolenser för encellsavbildning och bloddiagnostik. Jämfört med konventionella fotoniska komponenter, dessa biofotoniska sonder uppvisar många anmärkningsvärda fördelar. Först, de erbjuder inneboende och gynnsamma möjligheter för biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet i jämförelse med traditionella syntetiska material. Dessutom, utvecklingen av biofotoniska sönder med hjälp av biologiska celler/vävnader låter dessa biologiska enheter fungera samtidigt som optiska komponenter och testprover, som underlättar in vivo och realtidsavkänning, upptäckt, och bildbehandling.

Trots de betydande framsteg som redan gjorts, författarna betonar att den övergripande utvecklingen av biofotoniska sonder fortfarande är i sin linda och det finns fortfarande mycket att utforska. De noterade att det fortfarande krävs fler ansträngningar för att till fullo förstå och upptäcka den breda och mångfaldiga familjen av levande organismer som är lämpliga att fungera som fotoniska sönder. Förutom, än så länge, de flesta koncept och tekniker har visats genom in vitro- eller djurstudier som bevis på koncept. Mycket framtida arbete är nödvändigt för att bevisa genomförbarheten i prekliniska och kliniska praktiska tillämpningar. De föreslog också att biofotoniska sonder, till exempel, biomikrolenser, integrerad i en smartphone-baserad plattform har stor potential inom biodetektering, bildbehandling, molekylär diagnos med kliniska prover på ett bärbart sätt i realtid, vilket är av stor betydelse i resursbegränsade regioner.