撰稿 | 潘婷（暨南大學(xué)）

說(shuō)明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

近年來(lái)，隨著生物光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的蓬勃發(fā)展，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)為在活細(xì)胞及復(fù)雜的生物體中生物信號(hào)及生物過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)及可視化提供了強(qiáng)大的工具。相較于其他檢測(cè)及成像技術(shù)，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)具有實(shí)時(shí)、原位、非入侵性、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)。

生物光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展對(duì)能用于光學(xué)探測(cè)與成像的高生物兼容的光子器件提出了極大的需求。然而，基于傳統(tǒng)材料的光子器件由于其生物兼容性差，難以避免地會(huì)對(duì)生物系統(tǒng)造成生物損傷。

大自然中廣泛存在的活的生命體如病毒、藻類、細(xì)菌、哺乳動(dòng)物細(xì)胞及組織等，為構(gòu)建高生物兼容的光子器件提供了豐富的思路。基于這些活的生命體構(gòu)建的生物光子探針能夠直接用于生物系統(tǒng)，以極高的生物相容性和非侵害性在靶向位置進(jìn)行多功能光場(chǎng)調(diào)控，進(jìn)一步進(jìn)行高靈敏的生物探測(cè)與高精度生物成像。

生物光子探針的出現(xiàn)為生物光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟新的道路，但在生物探測(cè)與成像等領(lǐng)域的應(yīng)用還存在非常大的挑戰(zhàn)。

為此，來(lái)自暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院的李寶軍教授和辛洪寶教授研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合前期的工作基礎(chǔ)，以 Biophotonic probes for bio-detection and imaging 為題在 Light: Science& Applications 發(fā)表綜述文章，回顧了近年來(lái)了生物光子探針在生物探測(cè)與成像的應(yīng)用。

該綜述系統(tǒng)總結(jié)了基于病毒、細(xì)胞、活體組織等不同生命體的生物光子探針從光的產(chǎn)生、到光的傳輸與光的調(diào)制的不同光學(xué)功能，探討了這些生物光子探針作為生物激光器、生物光波導(dǎo)、生物微透鏡等光子器件在生物探測(cè)與成像等領(lǐng)域的應(yīng)用（圖1）。在此基礎(chǔ)上，展望了生物光子探針在生物光子學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

激光在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到上個(gè)世紀(jì)50年代，因其優(yōu)異的特異性如實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)、窄波長(zhǎng)、較佳的成像對(duì)比度等，近年來(lái)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。

一般而言，激光的產(chǎn)生需要三要素：泵浦源、工作介質(zhì)（增益介質(zhì)）以及光學(xué)諧振腔。與傳統(tǒng)激光器不同的是，生物激光器采用具有極高生物相容性的病毒、活細(xì)胞或組織等生物材料作為增益介質(zhì)或諧振腔載體。通過(guò)基因工程技術(shù)讓細(xì)胞或病毒自身表達(dá)熒光蛋白、或采用熒光染料對(duì)生命體進(jìn)行標(biāo)記，其可作為增益介質(zhì)在諧振腔中產(chǎn)生激光。由于生物激光器的輸出信號(hào)與細(xì)胞組織的生理特征緊密相連，這類激光器可實(shí)現(xiàn)高靈敏的生物探測(cè)與高精度生物成像。

根據(jù)最新研究進(jìn)展，我們總結(jié)了三種主要的生物激光器：細(xì)胞激光器、組織激光器及病毒激光器。

細(xì)胞激光器可根據(jù)諧振腔的位置分為細(xì)胞外激光器（諧振腔位于細(xì)胞外部）和細(xì)胞內(nèi)激光器（諧振腔位于細(xì)胞內(nèi)部）。細(xì)胞外激光器通過(guò)將熒光標(biāo)記的活細(xì)胞或細(xì)菌置于由兩個(gè)平行放置的平面反射鏡組成的法布里-珀羅（F-P）諧振腔（拓展：名詞解釋）中，當(dāng)采用特定波長(zhǎng)的光源激發(fā)細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞會(huì)發(fā)出激光，而且在此過(guò)程中細(xì)胞不會(huì)受到損傷（圖2a）。

細(xì)胞外激光器必須使用外加的諧振腔，因而不利于將激光器植入活體內(nèi)。而細(xì)胞內(nèi)激光器可通過(guò)在活細(xì)胞內(nèi)引入回音壁模式光學(xué)微腔（拓展：名詞解釋），從而獲得自帶諧振腔的細(xì)胞激光器。

拓展閱讀：《綜述：回音壁模式激光生物傳感》

這種回音壁模式光學(xué)微腔可以是混合了熒光染料的脂滴（圖2b），亦或是具有高折射率的回音壁微球腔，如熒光摻雜的聚苯乙烯微球（圖2c）。然而，雖然這類回音壁模式光學(xué)微腔可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的細(xì)胞內(nèi)激光輸出，但其較大的尺寸（微米級(jí)）很可能會(huì)對(duì)細(xì)胞的生理功能產(chǎn)生不可忽視的影響。解決這一問(wèn)題的辦法是可將納米級(jí)的激光器（如CdS半導(dǎo)體納米線或者金納米線等離激元激光器）嵌入細(xì)胞質(zhì)中（圖2d），可在不影響細(xì)胞健康及正常生理功能的情況下實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及成像。

除了生物細(xì)胞，多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的活體組織同樣可以采用上述類似的技術(shù)構(gòu)建生物激光器（也即組織激光器）。例如，通過(guò)將熒光標(biāo)記的聚苯乙烯微球植入哺乳動(dòng)物活組織樣本中，分別實(shí)現(xiàn)了眼角膜，血液和皮膚表面下200微米深處的激光發(fā)射（圖3a）。另一種較為典型的組織激光器是將組織樣本置于F-P諧振腔中構(gòu)建的“激光發(fā)射顯微鏡（LEM）”（圖3b）。與熒光顯微鏡相比，激光發(fā)射顯微鏡具有窄線寬（發(fā)射光譜 < 0.1nm），低閾值和高信噪比（信噪比>50）等優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)超靈敏檢測(cè)，具有出色的圖像對(duì)比度和更高的光譜/空間分辨率。另外，通過(guò)對(duì)組織細(xì)胞的DNA和蛋白進(jìn)行特異性熒光標(biāo)記，可實(shí)現(xiàn)多重激光，可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)靶點(diǎn)。

除了生物細(xì)胞和組織外，病毒也可以用作生物激光器的載體。例如，噬菌體是一類特異性侵襲細(xì)菌的病毒，對(duì)人體安全無(wú)害。在噬菌體外殼蛋白標(biāo)記熒光染料可獲得基于噬菌體的病毒激光器。進(jìn)一步通過(guò)噬菌體展示技術(shù)（拓展：名詞解釋），可在噬菌體的外殼蛋白上修飾不同種類的抗體，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種目標(biāo)生物分子的高靈敏檢測(cè)。檢測(cè)極限可達(dá)到90 fmol mL?1。

由于生物激光器的發(fā)射譜與生命體微結(jié)構(gòu)和生理性能息息相關(guān)，目前生物激光器在細(xì)胞示蹤、細(xì)胞內(nèi)部微環(huán)境檢測(cè)、組織結(jié)構(gòu)成像和疾病診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

例如，通過(guò)組織激光發(fā)射顯微鏡，可區(qū)分來(lái)自患者的正常組織及I / II期肺癌組織、人類結(jié)腸、胃、乳房癌變組織，特異性達(dá)100%，靈敏度達(dá)95%以上。

另外，值得一提的是，傳統(tǒng)的熒光探針發(fā)射波長(zhǎng)較寬，這一特點(diǎn)導(dǎo)致其無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多細(xì)胞實(shí)時(shí)追蹤。生物激光器可使用不同發(fā)射波段的熒光染料摻雜微球，結(jié)合使用不同尺寸的微球單獨(dú)標(biāo)記靶向細(xì)胞，可同時(shí)追蹤上千個(gè)細(xì)胞，并進(jìn)行目標(biāo)組織細(xì)胞的定位。

活細(xì)胞組裝的生物光波導(dǎo)

生物組織對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光通常呈現(xiàn)出低透明和高散射的特點(diǎn)，因此光在人體組織中穿透深度較淺，這極大限制了在人體內(nèi)部實(shí)時(shí)光學(xué)檢測(cè)與成像的實(shí)際臨床應(yīng)用。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)檢查理論中，一般采用玻璃纖維制的光纖將光輸送到體內(nèi)。然而如果人們一旦使用玻璃光纖深入生物組織，玻璃質(zhì)脆且不可生物降解。植入體內(nèi)會(huì)破壞和損傷組織。而且對(duì)于藥物活化、光學(xué)成像、疾病診斷等醫(yī)學(xué)檢查來(lái)說(shuō)，玻璃制光纖傳輸信息是不現(xiàn)實(shí)的。

細(xì)胞是體內(nèi)大量存在的天然材料，利用細(xì)胞構(gòu)建生物光波導(dǎo)為解決上述問(wèn)題提供了一個(gè)很好的思路。細(xì)胞折射率約為1.38，略高于水的折射率（約為1.33）。因此，將單個(gè)細(xì)胞組裝成一串細(xì)胞鏈，理論上光可通過(guò)在細(xì)胞膜和水的界面上形成全內(nèi)反射（拓展：名詞解釋），從而沿著細(xì)胞鏈傳輸，形成基于活細(xì)胞的生物光波導(dǎo)。

目前主要有兩種利用活細(xì)胞組裝生物光波導(dǎo)的方法：

第一種就是光學(xué)捕獲技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物光波導(dǎo)的組裝。這種方法可通過(guò)光力無(wú)損捕獲并操控組裝活細(xì)胞。例如，將波長(zhǎng)為980 nm的近紅外激光通入錐形光纖探針，利用光纖尖端出射光產(chǎn)生的光梯度力可將多個(gè)懸浮在液體中的細(xì)胞裝成一串有序的波導(dǎo)（圖4a），長(zhǎng)度可通過(guò)改變光功率大小調(diào)控。這種用細(xì)胞組成的生物光波導(dǎo)不但具有很好的生物相容性，而且可作為待測(cè)樣本直接在生物組織內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)成像。例如，通過(guò)測(cè)量紅細(xì)胞波導(dǎo)的光傳播模式，可以實(shí)時(shí)探測(cè)血液中pH的變化（圖4b）。

另一種組裝細(xì)胞光波導(dǎo)的方法是利用光的非線性效應(yīng)引發(fā)的細(xì)胞自聚集效應(yīng)。當(dāng)光束通過(guò)時(shí)，細(xì)菌溶液或人體血細(xì)胞溶液中的細(xì)胞會(huì)在光梯度力和散射力的共同作用下自發(fā)聚集到光束中心，形成生物光波導(dǎo)，并且大大降低了光束的發(fā)散（圖4c和4d）。這種生物光波導(dǎo)組裝長(zhǎng)度可達(dá)到4 cm左右，并且光傳輸損耗可低至0.14 dB mm?1。未來(lái)也許可以利用這種原位組裝的長(zhǎng)距離細(xì)胞光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)非侵入性的醫(yī)學(xué)診斷。

活細(xì)胞構(gòu)建的生物微透鏡

光學(xué)透鏡是進(jìn)行光場(chǎng)調(diào)制的重要光學(xué)器件，具有匯聚或發(fā)散光束的功能。令人意想不到的是，許多天然的生物活細(xì)胞可作為生物微透鏡在生物系統(tǒng)中發(fā)揮聚焦光束的功能。例如，研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)菌的趨光性很可能源于其透鏡效應(yīng)。球形的藍(lán)藻細(xì)菌可作為微透鏡將光束聚焦到細(xì)胞膜附近，膜上的光感受器感受到光刺激后激活鞭毛，拖動(dòng)細(xì)胞向光源方向移動(dòng)（圖5a）。藍(lán)藻很可能是地球上最小并且最古老的細(xì)胞微透鏡。其它活細(xì)胞，如酵母細(xì)胞、紅細(xì)胞等，同樣可以作為生物微透鏡發(fā)揮光調(diào)制的功能。

活細(xì)胞微透鏡可作為生物放大鏡用于無(wú)損光學(xué)生物成像。例如，通過(guò)在錐形光纖末端捕獲一個(gè)細(xì)胞，被捕獲的細(xì)胞形成了一個(gè)天然的生物放大鏡，可以以100 nm的分辨率放大納米結(jié)構(gòu)（圖5b）。另外，這種生物放大鏡還可形成一個(gè)納米光學(xué)勢(shì)阱，精確地操縱半徑為50納米的單個(gè)納米顆粒。該技術(shù)為無(wú)機(jī)械或光熱損傷的生物納米材料光學(xué)成像、傳感和組裝提供了一種高精度的工具。

人成熟的紅細(xì)胞無(wú)細(xì)胞核和細(xì)胞器，且具有獨(dú)特的延展性和可變形性，因此可作為一種可變焦的生物微透鏡（圖5c）。更為重要的是，紅細(xì)胞的異常形態(tài)在臨床上可作為血液相關(guān)疾病診斷的重要依據(jù)。通過(guò)將紅細(xì)胞的透鏡效應(yīng)與其它成像技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)一種非入侵式、無(wú)需標(biāo)記的紅細(xì)胞形態(tài)檢測(cè)手段。如利用紅細(xì)胞的透鏡效應(yīng)和定量相位成像技術(shù)，可精確獲得紅細(xì)胞的三維形貌結(jié)構(gòu)，并診斷出多種紅細(xì)胞形態(tài)異常疾病（圖5d）。

該論文系統(tǒng)探討了基于活的生命體的生物光子探針在生物檢測(cè)與成像領(lǐng)域的最新進(jìn)展。我們從光的產(chǎn)生、光的傳輸與光的調(diào)制三個(gè)方面總結(jié)了這些生物光子探針作為生物激光器、生物光波導(dǎo)、生物微透鏡等光子器件的構(gòu)建技術(shù)與應(yīng)用。與此同時(shí)，我們也探討了生物光子探針在生物檢測(cè)與成像等領(lǐng)域的實(shí)際臨床應(yīng)用未來(lái)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

對(duì)于生物激光器，一方面要考慮如何在不損傷活細(xì)胞的前提下降低閾值；另一方面，由于近紅外二區(qū)光對(duì)生物樣本損傷較小并且具有更深組織穿透性，未來(lái)開(kāi)發(fā)可用近紅外二區(qū)光激發(fā)的生物激光器有益于推動(dòng)其向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

對(duì)于生物光波導(dǎo)，開(kāi)發(fā)新的活細(xì)胞組裝技術(shù)，以獲得具有更長(zhǎng)的傳輸距離、且穩(wěn)定可靈活移動(dòng)操控的細(xì)胞光波導(dǎo)是關(guān)鍵。

對(duì)于生物微透鏡，由于細(xì)胞的形態(tài)及光學(xué)性質(zhì)受環(huán)境影響較大，因此基于細(xì)胞微透鏡的光學(xué)調(diào)制為精準(zhǔn)實(shí)時(shí)生物光學(xué)檢測(cè)將帶來(lái)新的思路。此外，如果能將生物微透鏡集成于智能手機(jī)平臺(tái)，這將為生物醫(yī)學(xué)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與血液診斷提供便攜式新方法。

雖然基于活的生命體的生物光子探針仍處于初期研究探索階段，我們認(rèn)為其在未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中一定有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并為生物光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟新的道路。

希望本文的綜述能為科研人員深化生物光子探針的研究提供廣闊而全面的視角。

論文信息：

Pan, T., Lu, D., Xin, H. et al. Biophotonic probes for bio-detection and imaging. Light Sci Appl 10, 124 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00561-2

論文地址:

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00561-2

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編輯 | 趙陽(yáng)

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